钜大LARGE | 点击量：968次 | 2020年02月12日
电路中放大器噪声分布分析
当模数转换器（ADC）的模拟输入被驱动至额定满量程输入电压时，ADC提供最佳性能。但在许多应用中，最大可用信号与额定电压不同，可能需要调整。用于满足这一要求的器件之一是可变增益放大器（VGA）。了解VGA如何影响ADC的性能，将有助于优化整个信号链的性能。
本文分析一个采用双通道16位、125/105/80MSpS、流水线ADCAD9268和超低失真中频VGAAD8375的电路中的噪声。信号链包括一个VGA（在+6dB增益设置下使用）、一个五阶巴特沃兹低通滤波器（3dB滚降频率为100MHz）和ADC。本文将给出放大器和滤波器的噪声计算，因为这些噪声决定ADC在目标频段内的动态性能。
问题
许多采用高速ADC的实际应用都需要某种驱动器、放大器或增益模块，用以将输入信号缩放到满量程模拟输入范围1，确保获得最佳信噪比（SNR）和无杂散动态范围（SFDR）。此外，差分放大器也可以将单端信号转换为差分信号来驱动ADC。这些器件都是有源器件，因而会增加ADC前端的噪声。此噪声在工作带宽内的积分会降低转换性能。
针对具体应用，适当ADC的选择取决于许多因素，包括：
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
模拟输入范围
输入频率/带宽
所需分辨率/SNR
所需SFDR
某些应用同时要求高动态范围和高分辨率。AD9268在70MHz中频提供78.2dBFS（dB相对于满量程）的SNR和88dBc的SFDR，非常适合此类应用。
在系统层面，ADC前端可以使用放大器、变压器或巴伦，但使用放大器的实现方案最为常见。使用放大器的原因可以是下面的一条或几条：
AD8375VGA可以用来将单端信号转换为差分信号，同时它能在不同增益设置下保持高线性度和一致的噪声性能。这些特性使它成为在较高中频下驱动ADC的上好选择。糟糕的是，信号链中的有源器件（即放大器），可能会限制ADC的性能。
示例
图1给出了噪声计算所用的电路拓扑结构。AD8375具有高阻抗差分输出（16k||0.8pF）。放大器通过一个五阶低通抗混叠滤波器（AAF）与ADC接口，该AAF具有100MHz带宽和150输入/输出阻抗。图1所示电路的频率响应如图2所示。
图1.AD8375、AAF和AD9268信号链
图2.AD8375、AAF和AD9268信号链的频率响应
性能
系统设计师不会期望驱动ADC输入端的放大器降低系统的总体动态性能，但针对某一应用选择的驱动器和ADC组合，并不意味着它能在另一应用中提供同样出色的性能。利用本文所述技术，系统工程师可以在选择放大器之前估计预期的性能。
图3显示了两种不同的设置。图3（a）利用无源耦合连接转换器，是客户评估板的默认选项。无源前端网络利用变压器或巴伦，以及一个滚降频率约为200MHz的无源低通滤波器，将单端信号转换为差分信号。图3（b）显示的可选放大器路径。这两种设置贡献的噪声比较如下。利用低中频（10MHz）时的单音快速傅里叶变换（FFT）来计算放大器增加的噪声。
图3.典型ADC前端：（a）无源；（b）有源
噪声分析通常使用两种技术，但每种技术都很麻烦。噪声谱密度（NSD）定义单位带宽的噪声功率。对于ADC，其单位为均方dBm/Hz或dBFS/Hz；对于放大器，其单位为均方根nV/√Hz。用放大器驱动ADC时，这种单位的不一致性构成系统噪声计算的障碍。
噪声系数（NF）是输入SNR与输出SNR的对数比，用dB表示。这一特性通常为RF工程师所用，在纯RF环境下很有意义，但在带ADC的信号链中使用NF计算，可能会导致令人误解的结果。2
另一种更有效的技术是对噪声密度进行反归一化处理，将其表示为均方根噪声电压，而不是均方电压。这种方法直截了当，能够对系统噪声进行清晰的分析，下面将予以说明。
图4和图5分别显示这两个前端的低频单音FFT。注意，无源前端的SNR为77.7-dBFS，而有源前端的SNR为72.5-dBFS，比ADC的预期性能低5.2dBFS。
图4.图3a电路10MHz模拟输入音的FFT
图5.图3b电路10MHz模拟输入音的FFT
分析
图3a与图3b所示设置的唯一不同是信号链中增加了放大器，因此可以放心地说，性能降低是由放大器的噪声引起的。下面的计算有助于了解放大器带来的噪声。
首先，按照数据手册的规定，使用转换器的满量程差分输入电压。将峰峰值电压除以2√2得到均方根电压，即0.707Vrms。
（1）
基于ADC在10MHz时的典型SNR，转换器的噪声贡献为
（2）
（3）
UsingVNOISE，ADC=92.2Vrms，带放大器前端的系统SNR为=72.5dBFS，利用公式3计算系统噪声得到168Vrms。
（4）
（5）
从公式4得到的系统噪声是ADC和VGA的合并噪声。放大器噪声可以利用公式5计算，结果为140Vrms。这表明，放大器噪声至少比ADC噪声大50%，因此它是系统交流性能的限制因素。
注意，必须判断计算得到的VNOISE，AMp值是否与放大器的数据手册一致。在150差分输出阻抗下，额定噪声谱密度约为20nV/√Hz。
虽然数据手册声称VGA的噪声基本上不随增益而变化，但此噪声会随负载而变化，因此噪声谱密度应根据放大器输出驱动的总阻抗进行缩放。放大器的差分输出阻抗很大（16k||0.8pF），因此放大器看到的阻抗（见图1）可以计算如下：
［10?+（300?||150?||3.5k?）］=107?。
利用此数值，本应用中AD8375的减额噪声谱密度可以通过公式6计算：
（6）
注意，利用实际滤波器计算系统噪声时，噪声带宽的形状与理想滤波器不同。频率响应的这种差别用形状因子这一术语来定义，反映滚降区中的噪声。形状因子取决于滤波器的阶数，是噪声带宽与3dB带宽的比值3。滤波器的极点越多，形状因子越接近1。这一关系可从表1看出。
表1.系统阶数与形状因子的关系
系统阶数形状因子
11.57
21.11
31.05
41.03
51.02
图1示例的形状因子为1.02。利用公式6计算放大器注入的噪声：
VGA注入系统的这一估计噪声值与利用公式5算得的测量值非常吻合，证明由AD8375和AD9268组成的信号链的性能主要取决于放大器。
结束语
许多情况下，系统信号链需要一个放大器（VGA或增益模块）来将满量程信号驱动到ADC。系统设计师必须了解不同放大器选择导致的ADC性能降低情况。利用所选放大器和ADC进行设计之前，设计师可以利用本文所述的方法计算放大器的噪声分布，估计预定系统实现方案的预期动态性能（通过SNR表示）。
技术专区慕展上，世强带来的SiC、GaN、三电平让你的效率直达最high点如何利用二级输出滤波器防止开关电源噪声陶瓷垂直贴装封装(CVMp)的焊接注意事项及布局DC-DC转换器的平均小信号数学建模及环路补偿设计常用基准稳压电源产生办法有哪些？
为输入信号提供增益以提高ADC分辨率。
缓冲或变换输入源与ADC之间的阻抗。
将单端输入信号转换为差分输出信号。
上一篇：你是这样给手机充电的？
