ADI:了解ADC信号链中放大器噪声对总噪声的奉献

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简介

当模数转化器(ADC)的模仿输入被驱动至额外满量程输入电压时，ADC供给最佳功能。但在许多运用中，最大可用信号与额外电压不同，或许需求调整。用于满意这一要求的器材之一是可变增益放大器(VGA)。了解VGA怎么影响ADC的功能，将有助于优化整个信号链的功能。

本文剖析一个选用双通道16位、125/105/80 MSPS、流水线ADCAD9268和超低失真中频VGAAD8375的电路中的噪声。信号链包含一个VGA（在+6 dB增益设置下运用）、一个五阶巴特沃兹低通滤波器（–3 dB滚降频率为100 MHz）和ADC。本文将给出放大器和滤波器的噪声核算，由于这些噪声决议ADC在方针频段内的动态功能。

问题

许多选用高速ADC的实践运用都需求某种驱动器、放大器或增益模块，用以将输入信号缩放到满量程模仿输入规模1 ，保证取得最佳 信噪比 (SNR)和无杂散动态规模(SFDR)。此外，差分放大器也能够将单端信号转化为差分信号来驱动ADC。这些器材都是有源器材，因而会添加ADC前端的噪声。此噪声在作业带宽内的积分会下降转化功能。

针对详细运用，恰当ADC的挑选取决于许多要素，包含：

• 模仿输入规模
• 输入频率/带宽
• 所需分辨率/SNR
• 所需SFDR

某些运用一起要求高动态规模和高分辨率。AD9268在70 MHz中频供给78.2 dBFS（dB相关于满量程）的SNR和88 dBc的SFDR，十分合适此类运用。

在体系层面，ADC前端能够运用放大器、变压器或巴伦，但运用放大器的完成计划最为常见。运用放大器的原因能够是下面的一条或几条：

• 为输入信号供给增益以进步ADC分辨率。
• 缓冲或改换输入源与ADC之间的阻抗。
• 将单端输入信号转化为差分输出信号。

AD8375 VGA能够用来将单端信号转化为差分信号，一起它能在不同增益设置下坚持高线性度和共同的噪声功能。这些特性使它成为在较高中频下驱动ADC的上好挑选。糟糕的是，信号链中的有源器材（即放大器），或许会约束ADC的功能。

示例

图1给出了噪声核算所用的电路拓扑结构。AD8375具有高阻抗差分输出(16 kΩ||0.8 pF)。放大器经过一个五阶低通抗混叠滤波器(AAF)与ADC接口，该AAF具有100 MHz带宽和150 Ω输入/输出阻抗。图1所示电路的频率响应如图2所示。

功能

体系规划师不会希望驱动ADC输入端的放大器下降体系的整体动态功能，但针对某一运用挑选的驱动器和ADC组合，并不意味着它能在另一运用中供给相同超卓的功能。运用本文所述技能，体系工程师能够在挑选放大器之前估量预期的功能。

图3显现了两种不同的设置。图3(a)运用无源耦合衔接转化器，是客户评价板的默许选项。无源前端网络运用变压器或巴伦，以及一个滚降频率约为200 MHz的无源低通滤波器，将单端信号转化为差分信号。图3(b)显现的可选放大器途径。这两种设置奉献的噪声比较如下。运用低中频(10 MHz)时的单音快速傅里叶改换(FFT)来核算放大器添加的噪声。

噪声剖析一般运用两种技能，但每种技能都很费事。噪声谱密度(NSD)界说单位带宽的噪声功率。关于ADC，其单位为均方dBm/Hz或dBFS/Hz；关于放大器，其单位为均方根nV/√Hz。用放大器驱动ADC时，这种单位的不共同性构成体系噪声核算的妨碍。

噪声系数(NF)是输入SNR与输出SNR的对数比，用dB表明。这一特性一般为RF工程师所用，在纯RF环境下很有含义，但在带ADC的信号链中运用NF核算，或许会导致令人误解的成果。2

另一种更有用的技能是对噪声密度进行“反归一化”处理，将其表明为均方根噪声电压，而不是均方电压。这种办法开门见山，能够对体系噪声进行明晰的剖析，下面将予以阐明。

图4和图5别离显现这两个前端的低频单音FFT。留意，无源前端的SNR为77.7-dBFS，而有源前端的SNR为72.5-dBFS，比ADC的预期功能低5.2 dBFS。

剖析

图3a与图3b所示设置的仅有不同是信号链中添加了放大器，因而能够放心肠说，功能下降是由放大器的噪声引起的。下面的核算有助于了解放大器带来的噪声。

首要，依照数据手册的规则，运用转化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0.707 V rms。

(1)

根据ADC在10 MHz时的典型SNR，转化器的噪声奉献为

(2)

(3)

Using V_{NOISE, ADC} = 92.2 μV rms， 带放大器前端的体系SNR为 = 72.5 dBFS, 运用公式3核算体系噪声得到168 μV rms。

(4)

(5)

从公式4得到的体系噪声是ADC和VGA的兼并噪声。放大器噪声能够运用公式5核算，成果为140 μV rms。这表明，放大器噪声至少比ADC噪声大50%，因而它是体系沟通功能的约束要素。

留意，有必要判别核算得到的V_{NOISE, AMP}值是否与放大器的数据手册共同。在150 Ω差分输出阻抗下，额外噪声谱密度约为20 nV/√Hz。

尽管数据手册宣称VGA的噪声基本上不随增益而改变，但此噪声会随负载而改变，因而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(16 kΩ||0.8 pF)，因而放大器看到的阻抗（见图1）能够核算如下：

     [10 Ω + (300 Ω||150 Ω||3.5 kΩ)] = 107 Ω.

运用此数值，本运用中AD8375的减额噪声谱密度能够经过公式6核算：

(6)

留意，运用实践滤波器核算体系噪声时，噪声带宽的形状与抱负滤波器不同。频率响应的这种差别用“形状因子”这一术语来界说，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–3 dB带宽的比值³。滤波器的极点越多，形状因子越挨近1。这一联系可从表1看出。

表1. 体系阶数与形状因子的联系

图1示例的形状因子为1.02。运用公式6核算放大器注入的噪声：

VGA注入体系的这一估量噪声值与运用公式5算得的测量值十分符合，证明由AD8375和AD9268组成的信号链的功能首要取决于放大器。

结束语

许多状况下，体系信号链需求一个放大器（VGA或增益模块）来将满量程信号驱动到ADC。体系规划师有必要了解不同放大器挑选导致的ADC功能下降状况。运用所选放大器和ADC进行规划之前，规划师能够运用本文所述的办法核算放大器的噪声散布，估量预订体系完成计划的预期动态功能（经过SNR表明）。

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参阅电路

¹MT-006, ADC Noise Figure—An Often Misunderstood and Misinterpreted Specification.

²The Data Conversion Handbook.

³Reeder, Rob and Jim Caserta, “Ask The Application Engineer 36, Wideband A/D Converter Front-End Design Considerations II: Amplifier-or Transformer Drive for the ADC?” Analog Dialogue 41-02, 2007.