信号链噪声分析分步指南

图1.精密宽带宽电流/电压测量功率优化型信号链

分析分为五个主要步骤：

1. 给出假设

2. 绘制信号链的简化原理图

3. 计算每个信号链模块的等效噪声带宽

4. 计算各个模块在信号链输出端的噪声贡献

5. 将所有噪声贡献相加

1. 给出假设

保护模块

假设保护模块不增加任何显著的噪声。来自该模块的噪声是由保护开关模块的较小导通电阻引起的。在以下示例中，我们使用 ADG5421F 其具有11Ω的导通电阻，因此产生0.43 nV/√Hz的噪声谱密度(NSD)。此值只有增益模块最低NSD的1/18，因此不需要考虑。如果实施了额外的保护措施（TVS二极管等），则还需要考虑这些保护措施。

信号滤波模块

假设信号滤波模块仅有一个极点。考虑到所要研究的带宽(400 kHz)与采样频率(15 MSPS)，假设单极点是足够的。

基准电压模块

假设来自基准电压模块的噪声可以忽略不计，因为所选择的基准电压源具有优异的噪声性能——0.25 p-p（10 Hz至1 kHz）和0.21 ppm rms（10 Hz至1 kHz），因此不纳入分析中。这是该信号链示例所特定的，如果使用不同的信号链和基准电压源，则需要进一步分析。

隔离模块

不考虑来自隔离模块的噪声。

其他假设

分析在25°C (298.15 K)的温度下进行。假设给定模块的NSD在采样频率上是均匀的。只考虑热噪声。对于ADC，取总噪声（kTC和额外的噪声源）。采样频率(15 MSPS)远大于所研究的带宽(400 kHz)。

2. 绘制信号链的简化原理图

根据信号链解决方案（参见图1），为以下各级绘制简化的原理图（参见图2）：

增益模块信号滤波器ADC驱动器ADC输入RC滤波器ADC

我们还可以注意到：

增益级被视为黑匣子，因为其噪声性能基于增益并考虑了所有内部噪声源。这意味着可以使用数据手册中增益放大器的NSD值来直接计算增益级中产生的噪声。增益选择完全包含在增益级内。

信号滤波器嵌入驱动器内。使用无源滤波器可降低整体功耗，这是被分析信号链的主要特性之一。这种情况下，需要仔细选择Rfilter、RG和RF的值，以确保整体信号增益为1，图4突出显示了这一点。RG的值对信号滤波器的带宽有贡献，如下所示：

其中

使用 精密ADC驱动器工具计算RC 络（在ADC采样之前）的元件值。此工具中的默认值用于信号链分析计算。这些值也可以在产品数据手册上找到或计算出来。

图2.简化信号链

3＆4. 计算每个信号链模块的等效噪声带宽(ENB)，并计算各个模块在信号链输出端的噪声贡献

本部分将单独计算各个模块的等效噪声带宽和噪声贡献，需注意的主要公式：

电阻的NSD可计算如下：

等效噪声带宽(ENB)是产生与所实现的滤波器相同的积分噪声功率的砖墙滤波器的带宽。

图3.噪声分析的原理图部分

图4.设置电阻值进行噪声分析

针对信号滤波器

5. 计算信号链的噪声

要将所有噪声贡献相加，请使用平方和开根号的方法：

进一步的电流/电压噪声、带宽和功耗分析：

汇总表

表2.差分信号链的各噪声源

图5.范例

表3.图5示例中不同级的噪声贡献

*以上测量的单位全部是μV rms

结论

通过以上步骤，设计者将能够分析和计算所选信号链的噪声性能。关于信号链中不同元器件如何影响噪声性能，以及如何使噪声最小化（例如，改变电阻大小、改变元器件或使等效噪声带宽最小），分析将会提供有用的见解。这样，设计人员就可以创建一份提议，确保信号链能够提取极小的目标信号，帮助节省时间和成本。