ADC信號鏈中放大器噪聲對總噪聲的貢獻(xiàn)

圖5. 圖3b電路10 MHz模擬輸入音的FFT

分析

圖3a與圖3b所示設(shè)置的唯一不同是信號鏈中增加了放大器，因此可以放心地說，性能降低是由放大器的噪聲引起的。下面的計(jì)算有助于了解放大器帶來的噪聲。

首先，按照數(shù)據(jù)手冊的規(guī)定，使用轉(zhuǎn)換器的滿量程差分輸入電壓。將峰峰值電壓除以2√2得到均方根電壓，即0.707 V rms。

(1)

基于ADC在10 MHz時的典型SNR，轉(zhuǎn)換器的噪聲貢獻(xiàn)為

(2)

(3)

VNOISE, ADC = 92.2 μV rms， 帶放大器前端的系統(tǒng)SNR為 = 72.5 dBFS, 利用公式3計(jì)算系統(tǒng)噪聲得到168 μV rms。

(4)

(5)

從公式4得到的系統(tǒng)噪聲是ADC和VGA的合并噪聲。放大器噪聲可以利用公式5計(jì)算，結(jié)果為140 μV rms。這表明，放大器噪聲至少比ADC噪聲大50%，因此它是系統(tǒng)交流性能的限制因素。

注意，必須判斷計(jì)算得到的VNOISE, AMP值是否與放大器的數(shù)據(jù)手冊一致。在150 Ω差分輸出阻抗下，額定噪聲譜密度約為20 nV/√Hz。

雖然數(shù)據(jù)手冊聲稱VGA的噪聲基本上不隨增益而變化，但此噪聲會隨負(fù)載而變化，因此噪聲譜密度應(yīng)根據(jù)放大器輸出驅(qū)動的總阻抗進(jìn)行縮放。放大器的差分輸出阻抗很大(16 kΩ||0.8 pF)，因此放大器看到的阻抗(見圖1)可以計(jì)算如下：

利用此數(shù)值，本應(yīng)用中AD8375的減額噪聲譜密度可以通過公式6計(jì)算：

(6)

注意，利用實(shí)際濾波器計(jì)算系統(tǒng)噪聲時，噪聲帶寬的形狀與理想濾波器不同。頻率響應(yīng)的這種差別用“形狀因子”這一術(shù)語來定義，反映滾降區(qū)中的噪聲。形狀因子取決于濾波器的階數(shù)，是噪聲帶寬與–3 dB帶寬的比值3。濾波器的極點(diǎn)越多，形狀因子越接近1。這一關(guān)系可從表1看出。

表1. 系統(tǒng)階數(shù)與形狀因子的關(guān)系

系統(tǒng)階數(shù)形狀因子

11.57

21.11

31.05

41.03

51.02

圖1示例的形狀因子為1.02。利用公式6計(jì)算放大器注入的噪聲：

VGA注入系統(tǒng)的這一估計(jì)噪聲值與利用公式5算得的測量值非常吻合，證明由AD8375和AD9268組成的信號鏈的性能主要取決于放大器。

結(jié)束語

許多情況下，系統(tǒng)信號鏈需要一個放大器(VGA或增益模塊)來將滿量程信號驅(qū)動到ADC。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師必須了解不同放大器選擇導(dǎo)致的ADC性能降低情況。利 用所選放大器和ADC進(jìn)行設(shè)計(jì)之前，設(shè)計(jì)師可以利用本文所述的方法計(jì)算放大器的噪聲分布，估計(jì)預(yù)定系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案的預(yù)期動態(tài)性能(通過SNR表示)。