解析信號(hào)第11部分：了解電源噪聲如何影響Delta-Sigma模數(shù)轉(zhuǎn)換器

解析信號(hào)系列的第11部分探討了電源是如何產(chǎn)生有害噪聲的，如何測(cè)量和量化這些噪聲，以及噪聲如何最終影響系統(tǒng)性能。

到目前為止，在“解析信號(hào)”一節(jié)中，我們重點(diǎn)討論了模擬組件產(chǎn)生的噪聲，這些組件可能位于模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）外部，也可能集成在ADC中。但是，本系列文章的最后一個(gè)主題將分析由電源引起的噪聲，這些噪聲必須來(lái)自設(shè)備外部。盡管有些ADC可能集成了電源管理功能，如用于清除噪聲的低壓差（LDO）調(diào)節(jié)器，或擴(kuò)展輸入電壓范圍的電荷泵，但這些功能以及ADC本身仍然需要外部電源供電。而且，與混合信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的任何其他組件一樣，電源也會(huì)產(chǎn)生噪聲。

幸運(yùn)的是，您可以將電源噪聲分析與我們?cè)诒鞠盗形恼轮杏懻摰钠渌肼曉搭?lèi)似。您可以假設(shè)您的設(shè)備會(huì)產(chǎn)生一些噪聲，盡管對(duì)系統(tǒng)性能的影響取決于來(lái)自源的噪聲級(jí)別和類(lèi)型。例如，用于便攜式應(yīng)用的3V鋰離子電池通常比用于表征ADC特性的精密臺(tái)式電源噪聲更大，輸出電壓變化更大。一旦為您的應(yīng)用程序選擇了電源和電壓軌，您可以采取一些方法來(lái)減少電源噪聲對(duì)ADC性能的影響。

由于“解析信號(hào)”的重點(diǎn)是信號(hào)鏈設(shè)計(jì)，我們假設(shè)您的電源（以及隨后的噪聲貢獻(xiàn)）是固定的。換言之，我們將不討論可能改變電源噪聲貢獻(xiàn)的電源設(shè)計(jì)技術(shù)。相反，我們將通過(guò)討論這些概念來(lái)關(guān)注這種噪聲如何影響ADC的輸出：

• 電源噪聲的類(lèi)型和來(lái)源。

• 測(cè)量和量化電源噪聲抑制。

• 每個(gè)ADC電源上的噪聲如何影響系統(tǒng)性能。

第12部分討論了在實(shí)際應(yīng)用中的ADC技術(shù)。

對(duì)于任何模擬信號(hào)鏈，電力最終來(lái)自?xún)蓚€(gè)來(lái)源之一：電池或交流線路電壓。兩種電源選擇之后，通常都會(huì)有某種形式的電源調(diào)節(jié)電路，用于調(diào)節(jié)系統(tǒng)其余部分的電源。電源以及有源和無(wú)源調(diào)節(jié)元件會(huì)產(chǎn)生一定程度的噪聲，這在電源輸出中表現(xiàn)為與預(yù)期電壓的變化。這種變化可以表現(xiàn)為輸出中的穩(wěn)定直流偏移，也可以表現(xiàn)為輸出上某個(gè)頻率和幅度的交流信號(hào)。

雖然后者似乎是線路電壓供電系統(tǒng)特有的，但電池供電系統(tǒng)也可能包含交流噪聲。功率調(diào)節(jié)部件本身會(huì)產(chǎn)生影響性能的噪聲。這些設(shè)備包括ldo、DC/DC轉(zhuǎn)換器和開(kāi)關(guān)電源（smps）。LDO主要產(chǎn)生熱噪聲，如與所有電氣元件相關(guān)的熱噪聲。開(kāi)關(guān)器件在熱噪聲的基礎(chǔ)上增加了大電流瞬變。通常，在100兆赫的額定頻率范圍內(nèi)（100兆赫）的紋波（通常為100兆赫）的額定電壓范圍內(nèi)。圖1顯示了開(kāi)關(guān)紋波、瞬態(tài)尖峰和熱噪聲的示波器圖。

圖1 SMPS噪聲（瞬態(tài)、紋波和熱噪聲）

除了電源調(diào)節(jié)部件外，交流噪聲還可能來(lái)自使用同一電源的其他開(kāi)關(guān)部件（如時(shí)鐘和時(shí)鐘緩沖器）以及環(huán)境照明或其他環(huán)境元件。

最終，無(wú)論您使用哪種電源，您的ADC電源都可能同時(shí)具有熱噪聲和開(kāi)關(guān)噪聲。然而，由于電源噪聲是ADC外部的，半導(dǎo)體制造商只能指定ADC在抑制這種噪聲方面的有效性。此規(guī)范稱(chēng)為電源抑制（PSR）。

在ADC中，PSR描述ADC輸出的變化（ΔV出去)相對(duì)于其電源的變化（ΔV供應(yīng)). PSR通常用分貝表示。這個(gè)比率被稱(chēng)為電源抑制比（PSRR）。注意，絕對(duì)值通常用于描述PSRR，因?yàn)樨?fù)號(hào)是隱含的。公式1計(jì)算PSRR：

在ADC數(shù)據(jù)表中可以找到兩種不同的指定PSRR的方法：PSRR直流和PSRR自動(dòng)控制. 電源抑制比直流描述ADC輸出因其電源中的直流偏移而變化的程度，而PSRRAC描述輸出中出現(xiàn)的電源噪聲量。類(lèi)似于ADC噪聲測(cè)量的討論第二部分，ADC制造商使用的PSRR測(cè)量方法取決于ADC要測(cè)量的信號(hào)類(lèi)型。

例如，低速傳感器測(cè)量應(yīng)用通常使用針對(duì)直流性能優(yōu)化的ADC，如德州儀器ADS1261，一個(gè)非常低噪聲的24位delta-sigma ADC，每秒可采樣40千個(gè)樣本（kSPS）。圖2顯示了ADS1261的PSRR數(shù)據(jù)表規(guī)范直流因?yàn)檫@個(gè)轉(zhuǎn)換器的信號(hào)通帶通常非常窄。數(shù)據(jù)表給出了模擬和數(shù)字電源的最低和典型電源抑制比規(guī)范。

圖2ADS1261 PSRR for AVDD = 5 V, AVSS = 0 V, DVDD = 3.3 V, V裁判= 2.5 V, gain = 1 V/V, output data rate (ODR) = 20 SPS

測(cè)量PSRR直流ADC制造商將設(shè)備的輸入端短接在一起，使其偏壓到共模電壓（V厘米)通常在中間電源附近，測(cè)量ADC輸出端的偏移電壓?？纯措妷浩屏渴嵌嗌?。圖3顯示了一個(gè)典型的PSRR直流測(cè)量設(shè)置，額外的100毫伏偏移電壓以紅色突出顯示。

圖3電源抑制比直流測(cè)量設(shè)置使用±100毫伏AVDD上的偏移量

如圖2所示，ADS1261的典型PSRR直流模擬電源為100 dB，AVDD。您可以輸入-100 dB的PSRR和ΔV供應(yīng)將100 mV的電壓輸入方程1，并求解ΔV出去計(jì)算偏移量的預(yù)期變化。根據(jù)方程式1，AVDD中的100 mV變化應(yīng)在ADC輸出處產(chǎn)生偏移電壓的1-μV變化。

圖4顯示了由于電源在時(shí)域中的變化而引起的輸出偏移電壓的變化。輸出偏移電壓擺幅集中在ADS1261的50μV標(biāo)稱(chēng)偏移電壓上，這是使用圖2中給出的相同條件指定的。

圖4使用ADS126mV電壓變化引起的ADSDD偏移量變化

相對(duì)而言，寬頻帶應(yīng)用（如振動(dòng)監(jiān)測(cè)）需要更寬的信號(hào)通帶，因此需要更高帶寬的ADC。這樣的adc更容易產(chǎn)生不需要的高頻內(nèi)容，這些內(nèi)容可能混淆或直接落入感興趣的信號(hào)帶寬中。因此，寬帶adc通常使用PSRR指定PSR自動(dòng)控制. 圖5顯示了德州儀器的PSRR規(guī)范ADS127L01，一個(gè)24位高速delta-sigma ADC，采樣率高達(dá)512 kSPS。

圖5 ADS127L01 PSRR規(guī)范at TA= 25°C, AVDD = 3 V, internal LVDD, DVDD = 1.8 V, V裁判= 2.5 V

PSRR的測(cè)量裝置自動(dòng)控制與PSRR非常相似直流，使ADC的輸入端短接在一起，然后偏置到中間電源共模電壓。然而，PSRRAC不是在電源中引入直流偏移，而是在標(biāo)稱(chēng)直流電源的頂部使用交流信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。此交流信號(hào)模擬特定頻率下的噪聲（例如，圖5所示的60 Hz電力線頻率）。

圖6顯示了一個(gè)典型的PSRR自動(dòng)控制測(cè)量裝置，在ADC模擬電源電壓（AVDD）頂部設(shè)置100 mVP正弦波。如果您的電源電壓是3V，您可以使用100 mV重新創(chuàng)建圖6中的測(cè)試設(shè)置峰帶3伏直流偏移的正弦波。

圖6 電源抑制比自動(dòng)控制使用100的測(cè)量設(shè)置-毫伏P正弦波

計(jì)算PSRR自動(dòng)控制在時(shí)域中，可以像計(jì)算PSRR一樣使用方程1直流. 使用100毫伏P振幅作為電源紋波（ΔV供應(yīng))而ADS127L01的AVDD PSRR如圖5所示（-90 dB），可以預(yù)期為3.2μVP在60赫茲的開(kāi)關(guān)紋波將出現(xiàn)在ADC輸出。圖7顯示了電源上的紋波，以及它如何轉(zhuǎn)化為輸出端的類(lèi)似紋波，以ADC的標(biāo)稱(chēng)偏移電壓為中心。

圖7 ADC輸出中的噪聲由100-最有價(jià)值球員使用ADS127L01的電源紋波

也可以計(jì)算PSRR自動(dòng)控制通過(guò)轉(zhuǎn)換100毫伏P使用ADC的參考電壓將紋波提供到分貝。如果使用圖5中規(guī)定的2.5 V參考電壓，則為100 mVP等于-28分貝，或分貝相對(duì)于全刻度。PSRR自動(dòng)控制在這種情況下，是電源紋波振幅和在電源紋波頻率（60赫茲）出現(xiàn)的頻譜中測(cè)得的音調(diào)之間的分貝差。圖8描繪了電源紋波振幅和ADC輸出中出現(xiàn)的噪聲，其中差異是ADC在該頻率下的PSRR的直接結(jié)果。

圖8 ADS127L01電源抑制比自動(dòng)控制在頻域中

在上一節(jié)中，我們以模擬電源為例討論了如何測(cè)量和指定電源噪聲。雖然這對(duì)于那些只需要一個(gè)電源電壓的adc來(lái)說(shuō)是可以接受的，但是更高分辨率的adc往往至少有獨(dú)立的模擬和數(shù)字電源，而一些精度更高的adc則需要更多。例如，您可以在圖5中看到ADS127L01實(shí)際上有三種不同的電源：模擬（AVDD）、數(shù)字（DVDD）和低壓調(diào)制器電源（LVDD）。圖9顯示了每個(gè)電源的電源抑制比（PSRR）與頻率的函數(shù)關(guān)系。

圖9 TA = 25°C, AVDD = 3.3 V, VREF = 2.5 V, HR mode, ˉINTLDO = 1

從圖9可以得出結(jié)論，LVDD最容易受到ADS127L01上的電源噪聲的影響。直觀地說(shuō)，這是有意義的，因?yàn)樵撾娫粗苯佑葾DC的delta-sigma調(diào)制器使用，它對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣。對(duì)于這個(gè)特定的ADC，您需要對(duì)LVDD應(yīng)用一些電源降噪技術(shù)，以確保它的噪聲量最小，從而最大限度地提高性能。

另外，在圖9中可以看到，在電源頻率（fPS公司)大約是200千赫。在這個(gè)頻率下，三個(gè)電源的電源抑制比開(kāi)始增加到160分貝。在圖9中，ADS127L01使用寬帶1數(shù)字濾波器以512 kSPS的速度工作。此濾波器響應(yīng)將ADC通帶設(shè)置為大約204 kHz。因此，ADS127L01的數(shù)字濾波器阻帶衰減電平在ADC通帶之外的頻率下抑制了電源紋波，大約116分貝。這提高了所有三個(gè)電源在更高頻率下的電源抑制比。

圖9中的這些觀察結(jié)果提供了關(guān)于電源噪聲的兩個(gè)重要問(wèn)題的提示：首先，在考慮系統(tǒng)的PSR時(shí)，哪個(gè)ADC電源電壓是最關(guān)鍵的；第二，如何降低系統(tǒng)中的整體電源噪音？

“解決信號(hào)”中的最后一篇文章將通過(guò)使用ADS127L01電動(dòng)汽車(chē) .