利用ADC噪聲分析進行實際設計

定義系統噪聲性能

在前文中，詳細探討了 ADC 噪聲性能，從其特性和來源到如何測量和指定。現在，將把前面的理論理解應用到一個實際的設計示例中。最終，目標是為提供回答“我真正需要什么樣的噪聲性能？”這個問題所需的知識，讓用戶能夠輕松自信地為下一個應用選擇 ADC。

系統規范

我將通過定義應用的系統規范、將這些規范轉換為目標噪聲性能參數并使用該信息來比較潛在的 ADC 來開始該示例。例如，讓我們分析一個使用類似于下圖所示的四線電阻橋的稱重應用。

對于系統規格，假設您想要以每秒 5 個樣本 (SPS) 的速度進行采樣的靈敏度為 2 mV/V 和激勵電壓為 2.5 V 的電橋。這提供了 5 mV 的最大輸出電壓，對應于 1 kg 的重量范圍。我們還假設您希望能夠解決 50 毫克的最小應用重量。下表總結了這些參數。

Parameter	System specification
電橋靈敏度	2 mV/V
激勵/參考電壓	2.5 V
輸出數據速率	5 SPS
重量范圍	1 kg
重量分辨率	50 mg

現在已經掌握了系統規格，將它們轉換為常見的噪聲參數，以幫助您選擇 ADC。

定義系統噪聲參數

建議使用輸入參考噪聲來定義系統噪聲參數并選擇 ADC。但讓我們從使用無噪聲計數和無噪聲分辨率的更常見方法開始。然后，您可以將此方法與直接使用輸入參考噪聲進行比較。使用公式計算您的初始噪聲參數：

由于所需的 14.3 位無噪聲分辨率，可能很快得出結論，只需要一個 16 位 ADC。然而，高分辨率 Δ-Σ ADC 實際可以提供的無噪聲分辨率取決于 ADC 滿量程范圍的利用率百分比。在本例中，系統使用 2.5V 參考電壓，最大輸入信號是激勵電壓 (2.5V) 和電橋靈敏度 (2mV/V) 的乘積。

公式顯示了預期分辨率損失：

由于只使用了可用滿量程范圍的 0.1%，因此將損失近 10 位的分辨率。在這個級別上，即使是 24 位 ADC 也不足以滿足系統要求。為了補救這個問題，需要通過更改系統規格或放大輸入信號來提高利用率百分比。假設您幾乎無法控制系統所需的內容，那么您只能獲得輸入，這一操作絕對會改變信號鏈的噪聲性能。

幸運的是，我們無需詳細了解放大器噪聲如何影響系統性能即可繼續分析。可以利用現有知識分析具有集成 PGA 的 ADC 的數據表噪聲表，以確定它是否滿足系統要求。

例如，下表顯示了高達 50 SPS 的 24 位 ADS124S08 的有效和無噪聲分辨率表，其中突出顯示了目標數據速率。ADS124S08 包括 1 V/V 至 128 V/V 的增益。

要確定此 ADC 是否滿足要求，需要分別重新計算每個增益設置的預期分辨率損失，因為每個增益設置都會導致不同的百分比利用率。然后，需要將此添加到上表中報告的每個相應的無噪聲分辨率值中，以查看它是否符合系統規范。

下表列出了這些不同的值以及使用 ADS124S08 以 5-SPS 數據速率計算的系統無噪聲分辨率（以位為單位）。

在 5 SPS 下使用 32、64 或 128 V/V 的增益只能實現所需的 14.3 位系統無噪聲分辨率。

下表在數據表噪聲表的上下文中突出顯示了這些值。

表中的一個關鍵要點是，沒有簡單的方法可以在不進行多次計算的情況下將數據表中的值與系統噪聲參數相關聯。雖然這在計算結果后現在可能不相關，但如果系統規格突然發生變化怎么辦？

假設決定將激勵（參考）電壓從 2.5 V 提高到 5 V。您還將電橋靈敏度提高到 20 mV/V（這意味著您不能使用最高增益設置，因為這樣會超過ADC）。正在探索以 20 SPS 而不是 5 SPS 進行采樣的選項。這些變化如何影響您的 ADC 噪聲分析？

要確定答案，您必須在新的數據速率和參考電壓下為每個增益設置計算新的分辨率損失。此外，您必須根據 5 V 參考電壓重新有效分辨率表格，因為該圖的計算使用 2.5 V 的參考電壓。最后，您必須通過減去計算的分辨率損失來重新創建使用 5V 參考電壓創建的無噪聲分辨率表。

這需要做很多工作，并且是無噪聲分辨率作為相對參數的直接結果。所以現在切換到使用絕對噪聲參數，看看分析是如何變化的。

使用輸入參考噪聲

與無噪聲分辨率一樣，只需了解一些系統規格即可確定您的電橋所需的輸入參考噪聲。需要知道它的最大輸出信號，即 5 mV。還需要知道此最大信號對應的重量范圍，即 1 kg。最后，需要知道您的體重分辨率，即 50 毫克。借助這幾位信息，可以使用下面的公式確定 ADC 需要能夠解析 250 nV 的峰峰值信號：

使用輸入參考噪聲的好處之一是不必擔心計算分辨率損失。相反，您可以直接將計算值與 ADC 的輸入參考噪聲表進行比較，以確定哪種設置組合可提供相同或更低級別的噪聲性能。

下表是ADS124S08 輸入參考噪聲表的精簡版。提供 ≤250 nVPP 的輸入參考噪聲的增益和數據速率設置的任何組合。

如果將表中的結果與前面表中使用無噪聲分辨率的分析進行比較，您會發現上表提供了滿足系統要求的整個 ADS124S08 設置范圍。而前面表中提供所選數據速率下的值，并要求針對不同的數據速率執行新的計算，從而使這種方法不太適應系統規范的變化。

系統變化的影響

現在假設已將重量范圍增加到 5 kg，重量分辨率增加到 500 mg，并將電橋的最大輸出信號保持在 5 mV，如公式 11 所示：

通過快速計算，可以確定系統噪聲要求已放寬至 500 nVPP，從而為您提供更多增益和數據速率組合。下表中表明，這些寬松的系統規范允許您更快地進行采樣（高達 20 SPS）或降低增益（低至 4 V/V），同時仍能實現必要的噪聲性能。

如果體重秤需要更高的分辨率怎么辦？

例如，保留 5-kg 重量范圍要求，但從第一個示例返回到 50-mg 重量分辨率。保持最大電橋輸出相同 (5 mV)，現在需要 50 nVPP 的輸入參考噪聲，這非常低。 ADS124S08 增益和數據速率的組合無法提供這種級別的性能。但由于可以輕松地使用任何 ADC 執行相同的分析，因此只需選擇具有更好噪聲性能的 ADC。

下表顯示了 ADS1262 的噪聲表，這是一款 32 位 ADC，功能類似于 ADS124S08，但提供更好的噪聲性能。表中的青色陰影表示提供 ≤50 nVPP 的輸入參考噪聲的數據速率和噪聲組合，并確認 ADS1262 可以滿足您系統的新分辨率要求。