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與模數(shù)轉(zhuǎn)換器的噪聲相比,電阻噪聲怎么樣?

發(fā)布時(shí)間:2021-06-02 來(lái)源:Rob Reeder 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】模數(shù)轉(zhuǎn)換器的總噪聲頻譜密度性能實(shí)際上反映為一系列參數(shù),如熱噪聲、抖動(dòng)以及量化噪聲——也就是特定帶寬(BW)上的信噪比(SNR)。在設(shè)計(jì)人員試圖理 解被采樣信號(hào)中的轉(zhuǎn)換器最低可分辨“步進(jìn)”時(shí),轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)手冊(cè)中給出的信噪比可以給他們提供現(xiàn)實(shí)的期望值。這個(gè)步進(jìn)也被稱(chēng)為最低有效位或LSB。對(duì)于一個(gè) 已知滿(mǎn)量程輸入的N位轉(zhuǎn)換器,可以用下面的公式計(jì)算出信噪比和最低有效位大小,即SNR=20*log(Vsignal-rms / Vnoise-rms),和LSB =(Vrms︱Fullscale/(2^N))。
 
與模數(shù)轉(zhuǎn)換器的噪聲相比,電阻噪聲怎么樣?
 
與模數(shù)轉(zhuǎn)換器的噪聲相比,電阻噪聲怎么樣?
 
在第一部分我們討論了噪聲指數(shù)(NF),并談到了噪聲頻譜密度(NSD)的重要性,下面闡述一下原因。
 
模數(shù)轉(zhuǎn)換器的總噪聲頻譜密度性能實(shí)際上反映為一系列參數(shù),如熱噪聲、抖動(dòng)以及量化噪聲——也就是特定帶寬(BW)上的信噪比(SNR)。在設(shè)計(jì)人員試圖理 解被采樣信號(hào)中的轉(zhuǎn)換器最低可分辨“步進(jìn)”時(shí),轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)手冊(cè)中給出的信噪比可以給他們提供現(xiàn)實(shí)的期望值。這個(gè)步進(jìn)也被稱(chēng)為最低有效位或LSB。對(duì)于一個(gè) 已知滿(mǎn)量程輸入的N位轉(zhuǎn)換器,可以用下面的公式計(jì)算出信噪比和最低有效位大小,即SNR=20*log(Vsignal-rms / Vnoise-rms),和LSB =(Vrms︱Fullscale/(2^N))。
 
通過(guò)重新整理這個(gè)公式可以得出轉(zhuǎn)換器的噪聲Vnoise-rms =Vsignal-rms*10^-SNR/20。因此,對(duì)于一個(gè)80MSPS、SNR=80dB、輸入滿(mǎn)量程電壓為2Vpp的典型16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器來(lái) 說(shuō),其噪聲Vnoiserms = 70.7uVrms,或LSB值為10.8uVrms。
 
下面讓我們看一下電阻噪聲。電阻噪聲被定義為Vresn=sqrt(4*k*T*B W*阻值),因此一個(gè)1kΩ的電阻在1Hz帶寬內(nèi)將增加約4nV的噪聲。公式中的T為開(kāi)爾文溫度(室溫 = 290K),BW是帶寬,k是波爾茨曼常數(shù)(1.38x10E- 23 瓦/秒/K)。對(duì)于轉(zhuǎn)換器的電阻噪聲,看起來(lái)似乎不必過(guò)于擔(dān)心,但實(shí)際上千萬(wàn)不要被表象所迷惑。
 
讓我們繼續(xù)討論如何降低噪聲指數(shù)以便提高靈敏度。我們可以在轉(zhuǎn)換器前端設(shè)計(jì)中增加增益和電阻來(lái)達(dá)到這一目的。在無(wú)源前端情況下,輸入滿(mǎn)量程降低2倍,意味著噪聲指數(shù)將下降6dB。不過(guò),還要考慮非相關(guān)的電阻噪聲。
 
例如,在40MHz帶寬內(nèi),一個(gè)50Ω的源電阻意味著電阻噪聲有7.2uV。請(qǐng)注意:在單極點(diǎn)系統(tǒng)中,噪聲帶寬比信號(hào)帶寬大1.57倍,這個(gè)50歐姆的電 阻帶來(lái)的熱噪聲對(duì)系統(tǒng)的信噪比的惡化不會(huì)超過(guò)0.1dB,即,Vnoise-rms=sqrt(7.2uV^2 + 70.7uV^2)=71uVrms。這個(gè)幅度不是太大,但我們還沒(méi)有把系統(tǒng)中的增益考慮進(jìn)去。當(dāng)信號(hào)鏈中的增益為2時(shí),一個(gè)50Ω的電阻引起的噪聲相當(dāng) 于14.4uVrms,而相反的負(fù)載側(cè)的200Ω終端電阻噪聲將額外增加14.4uVrms。在這兩個(gè)非相關(guān)的噪聲源和的平方根(RSS)共同作用下,總 噪聲將達(dá)20.3uVrms,相當(dāng)于2個(gè)LSB! 
 
這里的關(guān)鍵是轉(zhuǎn)換器噪聲遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電阻噪聲項(xiàng),即使轉(zhuǎn)換器前有一些增益也是如此。然而,隨著在整個(gè)信號(hào)鏈中使用更大的電阻和增益,總噪聲將很容易使信噪比變差(LSB=1位=6dB)。因此,在信號(hào)鏈中分配增益一定要小心,因?yàn)楦鞣N負(fù)面因素的效應(yīng)會(huì)很快疊加。 
 
 
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