0
  • 聊天消息
  • 系统消息
  • 评论与回复
登录后你可以
  • 下载海量资料
  • 学习在线课程
  • 观看技术视频
  • 写文章/发帖/加入社区
会员中心
创作中心

完善资料让更多小伙伴认识你,还能领取20积分哦,立即完善>

3天内不再提示

三角积分ADC如何能够生成超低噪声结果

得捷电子DigiKey 来源:得捷电子DigiKey 作者:得捷电子DigiKey 2021-10-19 11:24 次阅读

编者按:

模数转换器ADC) 将模拟世界连接到数字世界,因此是连接到现实世界的任何电子系统的基本部件。它们也是决定系统性能的关键因素之一。本文将说明三角积分ADC如何能够生成超低噪声结果。

三角积分 (ΔƩ) 集成电路拓扑仍在模数转换器 (ADC) 中广泛使用,为过程控制、精密温度测量和称重仪应用提供高分辨率、高集成度和低功耗的解决方案。

关于这种转换器有一个令人费解的事实,它从1位转换开始,理论信噪比 (SNR) 为7.78dB,相当于5V系统中存在2V (VRMS) 噪声。在此基础之上,该ADC可发展为真正的24位三角积分转换器,提供146dB的理论SNR,相当于5V系统中存在244nV的RMS噪声。

分辨率能够从1位跃升至24位,主要依赖过采样算法、噪声整形调制器和数字滤波器来降低量化噪声并提高SNR。通过改用放大器输入级馈入12位或16位逐次逼近寄存器(SAR) ADC,这种方法可以规避ΔƩ转换器的复杂性及其相关的噪声。此设计路径行之有效,但需要在印刷电路板上使用更多的集成电路并增加BOM成本。

有一种更好的方法可以解决噪声问题:利用超低噪声ΔƩ ADC,该问题可以迎刃而解。

本文将简要讨论低噪声目标应用以及如何在内部设计ΔƩ ADC来满足这一要求。然后介绍Texas Instruments的两款ΔƩ ADC,其中一款强调24位精度,另一款强调32位精度,同时还将说明如何利用这两款产品中强大的数字滤波功能。

ΔƩ ADC的适用场景

从模拟的角度来看,工程师在测量温度、压力、测压元件和光学传感器的输出时,需要不同的精度。从根本上讲,放大器增强了设计人员量化这类较小模拟量(多数情况下接近于 DC)的能力。渐进式数字化带来了视角和功能上的变化,同时增强了存储和修改传感器信号的能力。

为实现数字捕获,典型的传感器信号路径始于传感器,经过增益、多路复用和滤波器级,然后到达ADC(图1a)。

图1a中的转换器是一个SAR ADC,可以执行12位到18位转换,并且能以高达10兆次采样/秒 (MSPS) 的转换速率运行。16位转换器可提供216,即65,536个段。在5V系统中,最低有效位(LSB) 为5V/216298,即76.3μV,理论SNR等于98dB。通过在SAR转换器之前执行模拟增益,可以实现更高的精细度。

ΔƩ信号链(图1b)利用单个转换器提高了信号链的分辨率,同时也降低了BOM成本。ΔƩ ADC可提供16位到32位转换。在此信号链中,24位ΔƩ ADC可提供224,即16,777,216个段。因此,在5V系统中,LSB为5V/224,即298nV,理论SNR等于146dB。此分辨率水平为转换器提供了更加接近传感器能力的精细度。

由于内部数字滤波器需要时间来实现滤波计算,因此24位ΔƩ ADC的速度较慢。该转换器的典型输出数据速率范围为几赫兹至1MSPS。请注意,模拟滤波器现在采用的是便宜的一阶电阻电容 (RC) 滤波器,而不是复杂的三重运算放大器五阶模拟滤波器。

这两种方法的噪声之间区别很明显:ΔƩ ADC的低噪声性能优于SARADC(表1)。

* 备注:SNR = 6.02N + 1.76,其中N是位数

在温度、压力和测压元件这类传感器解决方案中,若不太注重速度规格,但精度至关重要,那么ΔƩ ADC可提供出色的解决方案。该ADC可通过使用数字而不是模拟降噪技术,实现低至上述小电压值的转换。

ΔƩ ADC的内部构造

ΔƩ ADC的内部80%为数字构造。通常,转换器接收输入信号,并立即将该模拟信号转换为数字信号。然后,转换器将该数字信号与后续的调制器转换合并到一个数字滤波器级,在该滤波器级中,累加的1位信号变为多位。接下来,转换器通过数字输出级,以串行方式将最终的多位转换发送到等待的微控制器

模拟信号首先通过外部的一阶抗混叠滤波器 (AAF)。然后,噪声整形 (NS)调制器获取模拟信号,并以转换器的时钟速率生成1位信号流进入数字滤波器(图2)。

c5b2c43c-2ffa-11ec-82a8-dac502259ad0.png

图2:典型ΔƩ使模拟信号通过一阶AAF,使用NS调制器生成1位信号流,然后在连接到微控制器的数字输出端产生一个多位结果。(图片来源:CMOS:Mixed-Signal Circuit Design,2nd Edition,J. Baker,ISBN 978-0-470-29026-2)

数字滤波器按时钟输入1位信号流中的多个代码,并在数字滤波器中创建完整的多位结果。这些多位结果将通过数字输出进行串行传输。

ΔƩ调制器

积分器/反馈回路的数量决定了ΔƩ调制器的阶数。一阶ΔƩ ADC调制器只有一个积分器和反馈环路(图3)。

c621b7c0-2ffa-11ec-82a8-dac502259ad0.png

图3:一阶调制器具有一个模拟积分器以及1位ADC和反馈回路中的DAC。VQe(z) 是量化ADC噪声。(图片来源:CMOS: Mixed-SignalCircuit Design,2nd Edition,J.Baker,ISBN 978-0-470-29026-2)

在图3中,模拟信号 (VIN(z)) 进入调制器的Delta(Δ) 部分。然后,模拟信号经过积分器级或Sigma (Ʃ) 级到达一个1位ADC(根据图2,采样率为fS),该ADC可以是比较器。现在,这一经过时钟数字化处理的信号反馈到1位数模转换器 (DAC),同时继续前往Δ级的VOUT(z)。1位DAC提供了一个需要从模拟输入信号VIN(z) 中扣减的模拟电压。该一阶调制器的传递函数为:

c69ebf04-2ffa-11ec-82a8-dac502259ad0.png

公式1

由于存在积分器和反馈回路,调制器在本身的数字输出数据流上实现了噪声整形算法(图4)。

c72e8990-2ffa-11ec-82a8-dac502259ad0.png

图4:在位于ΔƩ调制器输出端的噪声整形函数中,噪声传递函数 (NTF) 等于1-z-1,其中0.5归一化频率等于FS/2。(图片来源:Understanding Delta-Sigma Data Converters, Schreier,Temes,ISBN 0-471-46585-2)

在图4中,噪声整形特性是降低转换1位量化噪声的第一步。随着噪声成功推至更高频率,由一个低通数字滤波器完成了降噪过程。

高阶调制器包含更多积分器和反馈回路。例如,三阶调制器具有三个积分器和三个反馈回路。噪声整形函数通过降低DC附近的噪声并增加整形噪声,随调制器阶数的变化而变化。

高阶调制器以增加硅硬件、降低稳定性和信号范围为代价,提供了更高的性能。

ΔƩ数字滤波器

ΔƩ ADC在运行时采用了过采样 (OS)。过采样是调制器采样率 (FS) 与ADC输出数据速率 (FD) 之比,如公式2所示:

c7b736f0-2ffa-11ec-82a8-dac502259ad0.png 公式2

过采样通过使用低通数字滤波器,以数字方式限制经过噪声整形的数据的带宽,来改善ΔƩ ADC的噪声。

在ΔƩ ADC中,两个常用的数字滤波器是sin(pf)/pf(sinc) 和线性相位有限冲激响应 (FIR) 滤波器。在TexasInstruments的ADS1235 24位ΔƩ ADC、ADS1262和ADS1263 32位ΔƩ ADC(其中ADS1263集成了一个适用于背景测量的24位辅助ΔƩ ADC)中,数字滤波器实现提供了以下选择:专门使用sinc滤波器,或使用sinc滤波器后跟FIR滤波器的组合(图5)。

c802df92-2ffa-11ec-82a8-dac502259ad0.png

图5:ADS1235 24位ΔƩ ADC可以专门使用sinc滤波器,或使用sinc滤波器后跟FIR滤波器的组合。(图片来源:TexasInstruments)

在图5中,sinc(表示“Sinc”)滤波器是低通数字滤波器。sinc 滤波器的输出 (w(n)) 可使用公式3计算:

c8565e24-2ffa-11ec-82a8-dac502259ad0.png

公式3

z域传递函数为:

c8d939c0-2ffa-11ec-82a8-dac502259ad0.png

公式4

频率响应为:

c9667cf4-2ffa-11ec-82a8-dac502259ad0.png

公式5

在图5中,SincN等同于串联N个相同的sinc滤波器。sinc滤波器的幅度与频率响应图形具有梳状外观(图6)。

c9f93288-2ffa-11ec-82a8-dac502259ad0.png

图6:在每秒2400次采样 (SPS) 的ADS1262/63中,多个sinc数字滤波器产生了梳状频率响应;其中sinc2等效于串联两个相同的sinc滤波器,sinc3等效于串联三个相同的sinc滤波器,依此类推。(图片来源:Texas Instruments)

在图6中,峰值和零点是sinc滤波器响应的特征。频率响应零点出现在f(Hz) = N ·FD,其中N = 1, 2, 3, 。..。在零频率处,滤波器的增益为零。

sinc滤波器(串联)会增加衰减,导致延时增加。例如,如果在外部时钟速率为7.3728MHz的特定sinc滤波器计算中,产生的输出数据速率为14400SPS,则第二个sinc滤波器的输出数据速率为7200SPS。

低通FIR滤波器是基于系数的滤波器。该滤波器具有50Hz和60Hz的同时衰减功能,以及2.5SPS至20SPS数据速率下的谐波功能。FIR滤波器数据速率的转换延时相当于一个周期。FIR滤波器从sinc滤波器接收经过预滤波的数据,并对数据进行抽取,以产生10SPS的输出数据速率(图7)。

ca769a0c-2ffa-11ec-82a8-dac502259ad0.png

图7:在ADS1262/63中,FIR滤波器可衰减50Hz和60Hz信号以降低线路频率干扰,并提供一系列靠近这些频率的响应零点。零点在50Hz和60Hz谐波处重复出现。(图片来源:Texas Instruments)

FIR滤波器会衰减50Hz和60Hz信号以降低线路频率干扰,并提供一系列靠近这些频率的响应零点。响应零点在50Hz和60Hz谐波处重复出现。

精密的低噪声ΔƩ ADC

先前提到的Texas Instruments的ADS1235差分输入24位转换器是低噪声ΔƩ ADC的极好例子。

ADS1235是一款精密的7200SPS ΔƩ ADC,具有三个差分或五个单端输入,以及一个集成式可编程增益放大器 (PGA),其增益包括1、64和128。该器件还包括诊断功能,例如PGA超量程和参考监视器。该ADC为包括称重仪、应变片和电阻式压力传感器在内的高精度设备提供了高精度、零漂移的转换数据(图8)。

caea1d1a-2ffa-11ec-82a8-dac502259ad0.png

图8:具有六通道模拟输入和GPIO输入多路复用器的ADS123524位ΔƩ ADC方框图。(图片来源:Texas Instruments)

对于ADS1235,影响噪声性能的重要因素包括数据速率、PGA增益和斩波模式。数据速率较慢会在数字滤波器中引入转折频率,从而降低噪声。此外,由于在斩波模式下执行的两点数据平均化,与正常操作相比,噪声降低了√2倍。

在低频、2.5SPS数据速率和1V/V PGA增益条件下,5V系统中的sinc3数字输出的转换器噪声为0.15mVRMS(0.3mV峰峰值 (PP)),有效分辨率为24位,无噪声分辨率为24位。该器件的理论和实际SNR均为146dB。事实上,在这些条件下,稳定的四阶调制器和sinc1至sinc4滤波器均可产生24位有效分辨率,以及24位无噪声分辨率。

ADS1235已针对2.5SPS数据速率实现了近乎完美的24位转换。此系列中的下一代ΔƩ ADC是TexasInstruments的ADS1262/63。这些器件之间的主要区别在于ADS1262/63改善了低噪声电路,并提供了扩展的32位输出数据寄存器。

ADS1262/63具有改进的低噪声CMOS PGA,其增益包括1、2、4、8、16和32。模拟前端(AFE) 非常灵活,包含两个传感器激励电流源,非常适合直接RTD测量(图9)。

cb6996ee-2ffa-11ec-82a8-dac502259ad0.png

图9:具有十通道模拟输入多路复用器的ADS1262和ADS126332位ΔƩ ADC方框图。ADS1263具有第二个片上24位ΔƩ ADC。(图片来源:Texas Instruments)

与ADS1235一样,PGA增益、数据速率、数字滤波器模式和斩波模式是影响ADS1262/63噪声性能的重要因素。ADS1262/63具有32位分辨率,真正展现了低噪声深度功能。

首先,稳定的四阶调制器和sinc1至sinc4滤波器都能实现32位有效分辨率以及24位无噪声分辨率。通过配置低频率、2.5SPS数据速率和1V/V PGA增益(已旁通),5V系统中的sinc3数字输出的转换器噪声仅为0.08mVRMS(0.307mVPP)。该器件以26.9位超越了有效分辨率,以及25位无噪声分辨率。对于此32位系统,理论SNR为387dB,实际SNR等于164dB。

24位和32位转换器的噪声之间区别非常明显,其中32位ΔƩ ADC的低噪声性能优于24位 ΔƩ ADC(表2)。

* 备注:SNR =6.02N + 1.76,其中N是位数

cbe7c92e-2ffa-11ec-82a8-dac502259ad0.png

表2:满量程输入电压5V的ADC RMS噪声、峰值噪声和SNR的比较结果。(数据来源:Digi-Key Electronics)

总结

ΔƩ ADC仍在不断增加功能,持续提升低噪声极限。本文介绍了如何将这种近乎数字化的低噪声ADC直接对应到温度、压力和测压元件应用中。在讨论精密型24位ΔƩ ADC和32位ΔƩ ADC的具体细节的同时,概括了实现超精密特性的途径。

责任编辑:haq

声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉
  • 转换器
    +关注

    关注

    27

    文章

    8694

    浏览量

    147093
  • adc
    adc
    +关注

    关注

    98

    文章

    6496

    浏览量

    544473

原文标题:话说ADC之四 | 突破ΔƩ ADC低噪声性能极限,应该怎么做?

文章出处:【微信号:得捷电子DigiKey,微信公众号:得捷电子DigiKey】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

收藏 人收藏

    评论

    相关推荐

    低噪声运放应用于积分器电路设计

    低噪声运放应用于积分器电路设计
    的头像 发表于 12-13 16:12 116次阅读
    <b class='flag-5'>低噪声</b>运放应用于<b class='flag-5'>积分</b>器电路设计

    LMX2595 ramp输出8G-12G三角波,输出的扫频结果为什么不准确?

    我想要输出8G——12G的三角波,TICS Pro上进行了以下配置,输出的扫频结果为什么不准确
    发表于 11-08 06:00

    揭秘使用20位DAC生成超低噪声、高保真波形的设计挑战

    电子发烧友网站提供《揭秘使用20位DAC生成超低噪声、高保真波形的设计挑战.pdf》资料免费下载
    发表于 09-11 09:47 0次下载
    揭秘使用20位DAC<b class='flag-5'>生成</b><b class='flag-5'>超低噪声</b>、高保真波形的设计挑战

    AMC1204-Q1针对电流分流测量的20MHz,二阶,隔离型三角积分调制器数据表

    电子发烧友网站提供《AMC1204-Q1针对电流分流测量的20MHz,二阶,隔离型三角积分调制器数据表.pdf》资料免费下载
    发表于 08-19 10:36 0次下载
    AMC1204-Q1针对电流分流测量的20MHz,二阶,隔离型<b class='flag-5'>三角</b><b class='flag-5'>积分</b>调制器数据表

    三角波发生器的组成和应用

    三角波发生器是一种能够产生连续三角形波形信号的电子设备或电路。其输出信号具有特定的频率和波形特征,广泛应用于电子、通信、音频、测试测量以及控制系统等多个领域。以下是对三角波发生器的详细
    的头像 发表于 08-08 14:36 1381次阅读

    求助,求推荐超低噪声跨阻放大器

    现需要为一个pd范围约在160-280uA的光电传感芯片选择一超低噪声跨阻放大器(最好增益可调,噪声nA及以下),OPA857的可测电流范围过小,寻求合适的选型推荐。如果可以,还希望推荐几个同样低噪声的后端
    发表于 07-31 07:57

    ADC354x 14位10MSPS至65MSPS低噪声超低功耗ADC数据表

    电子发烧友网站提供《ADC354x 14位10MSPS至65MSPS低噪声超低功耗ADC数据表.pdf》资料免费下载
    发表于 07-18 10:50 0次下载
    <b class='flag-5'>ADC</b>354x 14位10MSPS至65MSPS<b class='flag-5'>低噪声</b>、<b class='flag-5'>超低</b>功耗<b class='flag-5'>ADC</b>数据表

    相负载与三角联结的关系

    具有相等的电压和电流,但相位相差120度。相负载广泛应用于工业和商业领域,如电动机、变压器、发电机等。相负载的特点是能够提供稳定的功率输出,减少电磁干扰,提高系统的效率。 三角联结
    的头像 发表于 07-17 10:25 1218次阅读

    ADC3564 14位、125MSPS、低噪声超低功耗ADC数据表

    电子发烧友网站提供《ADC3564 14位、125MSPS、低噪声超低功耗ADC数据表.pdf》资料免费下载
    发表于 07-12 09:13 0次下载
    <b class='flag-5'>ADC</b>3564 14位、125MSPS、<b class='flag-5'>低噪声</b>、<b class='flag-5'>超低</b>功耗<b class='flag-5'>ADC</b>数据表

    ADC358x 18位0.5MSPS至65MSPS低噪声超低功耗ADC数据表

    电子发烧友网站提供《ADC358x 18位0.5MSPS至65MSPS低噪声超低功耗ADC数据表.pdf》资料免费下载
    发表于 07-12 09:11 0次下载
    <b class='flag-5'>ADC</b>358x 18位0.5MSPS至65MSPS<b class='flag-5'>低噪声</b>、<b class='flag-5'>超低</b>功耗<b class='flag-5'>ADC</b>数据表

    ACF2101低噪声双开关积分器数据表

    电子发烧友网站提供《ACF2101低噪声双开关积分器数据表.pdf》资料免费下载
    发表于 06-15 09:10 0次下载
    ACF2101<b class='flag-5'>低噪声</b>双开关<b class='flag-5'>积分</b>器数据表

    超低噪声 1A LDO

    ldo低噪声
    jf_30741036
    发布于 :2024年03月19日 14:34:30

    三角形和星形电机参数怎么确定?

    请教一下 三角形和星形电机怎么确定,通过测量 ------- 线电阻=2*相电阻 星形 线电阻=2/3*相电阻 三角形 这个说法对吗
    发表于 03-07 06:57

    变压器“三角形接线”和“星形接线”接法详解

    变压器“三角形接线”和“星形接线”接法详解  变压器的三角形接线和星形接线是常见的两种接法,它们在不同的应用场景中具有不同的优势和特点。 一、三角形接线 三角形接线也被称为Delta接
    的头像 发表于 02-18 18:17 1.4w次阅读

    基于激光三角测距法的激光雷达原理

    目前激光雷达的测量原理主要有脉冲法、相干法和三角法3种,脉冲法和相干光法对激光雷达的硬件要求高,但测量精度比激光三角法要高得多,故多用于军事领域。而激光三角测距法因其成本低,精度满足大部分商用及民用要求,故得到了广泛关注。
    发表于 12-25 10:04 916次阅读
    基于激光<b class='flag-5'>三角</b>测距法的激光雷达原理