电压参考噪声如何影响精密ADC

今天我们将分析了降低参考噪声对系统影响的几种不同方法，并检查了参考噪声对低分辨率和高分辨率 ADC 影响的差异。

在解析信号系列的第 8 部分中，我讨论了模数转换器 (ADC) 噪声和参考噪声之间的关系，推导出了计算参考噪声的方程，并确定了增益对参考噪声水平的影响一个系统。

在第 9 部分，我将通过分析几种不同的方法来减少参考噪声对整个系统的影响，从而结束对参考噪声的讨论。我还将研究参考噪声对低分辨率和高分辨率 ADC 的影响之间的差异。

减少参考噪声的影响

正如我在第 8 部分中所讨论的，进入数据采集系统的参考噪声量取决于参考源的噪声性能以及满量程范围 (FSR) 的利用率。为了证明这种对利用率百分比的依赖，我绘制了 ADC 噪声、参考噪声和总噪声与满量程利用率（输入电压）之间的函数关系，假设参考电压为 2.5V。图 1 显示了使用德州仪器 (TI) ADS1261的这种关系图，这是一款具有集成可编程增益放大器 (PGA) 的 24 位 Δ-Σ ADC。

图 1. 作为 FSR 利用率的函数的 ADC 噪声、参考噪声和有效分辨率

与第 8 部分一样，参考噪声开始以 40% 的利用率占据系统总噪声的主导地位，抵消了高分辨率 ADC 提供的噪声优势。为了帮助缓解这个问题并实现精密系统，有三种技术可以帮助降低参考噪声并利用 delta-sigma ADC 的降噪优势。

选择低噪声参考

降低进入系统的参考噪声水平最明显的方法之一是选择噪声较小的电压参考。这会降低图 1 中红色条的水平并扩展有用的 FSR 利用率限制。

但是，正如我在第 8 部分中所建议的，对于任何给定的输入信号，请注意将参考噪声水平与 ADC 噪声水平相匹配。例如，如果您使用 ADS1261 对 2.5V 输入信号进行采样，则只能使用 1V/V 的增益。在这些情况下，选择噪声比 REF6025 低的电压基准可能对整个系统噪声几乎没有影响，因为 FSR 利用率非常高（图 1）。

增加参考电压

另一种可能降低参考噪声影响的方法是增加参考电压，因为这会影响利用率百分比的变化。例如，将参考电压加倍会使利用率百分比降低 2 倍。但是，这种方法仅在参考噪声没有成比例增加的情况下才提供系统噪声优势，但情况并非总是如此。许多离散电压参考系列以微伏/伏特为单位指定噪声，因为参考噪声与参考电压成线性比例。在这种情况下，将参考电压加倍也会使参考噪声加倍，尽管利用率降低了，但不会产生任何系统噪声优势。

降低有效噪声带宽

减少传入系统的参考噪声量的第三种选择是限制整体有效噪声带宽 (ENBW)。限制 ENBW 的一种方法是降低抗混叠或参考滤波器截止频率。但是，由于 C0G 的低电压和温度系数，德州仪器 (TI) 建议将 C0G 型电容器用于输入信号路径滤波器。信号链设计中使用的典型 C0G 电容器仅提供高达 10-15nF 的容量，这从本质上限制了抗混叠滤波器截止频率的低程度。相反，由于参考电压的 DC 输出电压几乎恒定，因此参考滤波器可能会采用更高电容的 X7R 型电容器。对于每种滤波器类型，使用低漂移、低阻抗电阻器 (<10kΩ)，

降低系统 ENBW 的更常见方法是降低 ADC 的输出数据速率。图 2 显示了降低 ADC 的输出数据速率如何同时降低 ADC 和参考噪声。例如，在 ENBW = 96Hz（左）和 ENBW = 0.6Hz（右）之间，100% 利用率下的参考噪声降低了 2.3 倍，而 ADC 噪声降低了 10 倍，导致更少总噪音。

图 2. 限制 ENBW 可降低总噪声：0.6Hz（左）、24Hz（中）、96Hz（右）

虽然这三种方法可以减轻许多应用的参考噪声，但其他系统可能具有固定参数——例如建立时间或传感器输出电压——这使得这些技术更难采用。在这种情况下，您可以通过选择合适的参考配置来减少传入系统的参考噪声量：内部、外部或比率。

内部参考

精密 ADC通常包括通常适用于许多应用的集成精密电压基准。集成参考消除了外部参考增加的成本、面积和功耗。但是，一般而言，与精密外部基准相比，内部基准的功耗较低，可能具有更高的噪声和更高的漂移，因此不太适合某些高精度和高精度系统。

图 3 显示了 ADS1261 测量电阻电桥，同时使用其集成电压基准作为测量的基准源。

图 3. 使用 ADS1261 的内部参考测量电阻桥

外部参考

如果集成电压参考的规格不够，并且 ADC 允许使用外部参考源，您可以选择外部参考。与集成参考相比，外部参考通常受益于更低的噪声和更好的漂移参数。这种提高的性能是以更高的功耗、额外的成本和增加的印刷电路板 (PCB) 面积为代价的。此外，由于 ADC 和电压基准不共享同一芯片，因此它们的温度漂移规格可能不再相关；集成参考就是这种情况。因此，ADC 和参考可以独立地向相反方向漂移，从而导致更大的不准确度。为避免此问题，请将两个设备连接到良好的导热接地层。

将 ADC 连接到外部参考源时的一个有用提示是将 ADC 的负外部参考输入 (REFN) 路由回外部参考的接地引脚，而不是将 REFN 直接连接到 PCB 的接地层。这形成了“星形”接地连接，有助于避免负参考输入上的接地平面噪声拾取并保持精确的测量结果。

图 4 显示了与图 3 中相同的电阻桥连接图，但使用 REF6025 电压基准而不是 ADS1261 的内部基准。

图 4. 使用 ADS1261 和外部参考 (REF6025) 测量电阻桥

比例参考

在需要传感器激励的情况下，例如测量电阻桥或电阻温度检测器 (RTD)，请使用比率配置。此配置对模拟输入和参考电压使用相同的激励源。因此，激励源中的任何噪声或漂移都会同等地影响测量和参考。由于 ADC 输出代码是输入与参考的比率，激励源噪声和漂移趋于抵消，导致噪声性能更接近输入短路情况。通常，与其他两种配置相比，这种配置产生的总噪声量最低。

比率参考的主要缺点是它只能用于需要传感器激励的应用。因此，如果系统不需要传感器激励，您必须选择其他两个参考配置选项之一。

图 5 显示了与图 3 和图 4 相同的电路，但采用比例参考配置。请注意 5V 桥激励电压如何也用作 ADS1261 的外部差分参考电压 (REFP - REFN)。

图 5. 使用 ADS1261 和比例基准测量电阻电桥

到目前为止，我已经做出定性声明，即比率参考提供比外部参考更好的噪声性能，外部参考提供比内部参考更好的噪声性能。如果您查看 TI 24 位ADS1259的数据表，您会发现这在数量上也是正确的。图 6 显示了来自 ADS1259 数据表的图表，其中包括所有三种配置的测量噪声性能。

图 6. 比较内部、外部和比例参考配置与 ADS1259 的总噪声增加

在 VIN = 0V 时，图 6 中的曲线显示 ADS1259 的固有噪声约为 0.5µVRMS。在 100% 利用率 (VIN = ±2.5V) 时，内部基准使此基线噪声增加 400% 至 2.5µVRMS，而外部 REF5025 将总噪声增加 150% 至 1.25µVRMS。将这些曲线与几乎平坦的比率参考曲线进行比较，后者在 100% 的利用率下仅使总噪声增加了 50%。这种配置允许您使用 ADS1259 的整个 FSR，而不会显着增加总噪声，从而实现最佳的整体系统噪声性能。

您能否将这些结论同样适用于所有 delta-sigma ADC？到目前为止，在本系列中，我已经分析了 24 位和 32 位转换器，以更好地了解电压参考噪声如何影响这些设备的性能。通常，这些高分辨率 ADC 的噪声非常低，因此任何参考噪声都会对系统噪声产生显着影响。参考噪声如何影响低分辨率 ADC？

较低的比。更高分辨率的 ADC

您可以将用于测量参考噪声对高分辨率 ADC 的影响的相同原理应用于较低分辨率的 ADC。使用前面示例中的相同设置，让我们将 REF6025 连接到具有不同分辨率的 ADC，并测量 100% 利用率时的总噪声。图 7 描述了这种设置。

图 7. 使用 ADS1262 和 REF6025 的系统设置

让我们选择八个具有不同分辨率的 ADC 作为图 7 中的 n 位 ADC。表 1 提供了每个 ADC 的基线噪声信息，作为其分辨率的函数。

表 1. ADC 分辨率的固有 ADC 噪声

正如我在本系列的第 1 部分中讨论的那样，量化噪声通常在较低分辨率 ADC 的总噪声（<16 位）中占主导地位，因此其值对应于最低有效位 (LSB) 大小。相反，18 位、24 位和 32 位 ADC 噪声大于相应的 LSB 大小，因为更高分辨率 ADC 中的热噪声量相对较大。

要计算 ADC 和电压基准的组合噪声，请取每个组件噪声的平方和 (RSS)，因为我假设利用率为 100%。表 2 包括两个组件产生的总噪声，以及与仅 ADC 噪声相比噪声增加的百分比。

表 2. 总噪声和 ADC 分辨率增加的百分比

表 2 提供了参考噪声对较低分辨率和较高分辨率 ADC 的影响之间的鲜明对比。高达大约 16 位级别（表 2 中以红色突出显示的单元格），REF6025 的噪声对系统的总噪声几乎没有影响，即使在 100% 的利用率下也是如此。在这些情况下，高水平的 ADC 量化噪声超过了较低水平的参考噪声。因此，低噪声外部基准在这里几乎没有什么好处，尤其是与增加的系统成本和尺寸相比时。事实上，出于这个原因，许多较低分辨率的 ADC 不包括外部参考输入，而是依靠集成参考甚至电源电压来执行此功能。

然而，这并不意味着您在使用较低分辨率的 ADC 时永远不必担心参考噪声。累积效应取决于特定参考电压的噪声、系统带宽和利用率百分比。我建议执行一些快速计算以确定任何外部组件可能对系统产生的一般影响。

参考噪声总是对 18 位、24 位和 32 位更高分辨率 ADC（表 2 中以蓝色突出显示的单元格）产生更大影响的地方。相对于 ADC 本身，所有这些 ADC 的噪声都显着增加。随着 ADC 分辨率的提高，这一结果更加明显，仅由于参考噪声，32 位 ADC 的噪声就增加了 553%，令人难以置信。在更高分辨率级别，使用本文中概述的降噪方法并选择合适的参考配置对于保持精确测量至关重要。

在解析信号的第 10 部分中，我将讨论时钟如何影响精密 ADC。

总结要点

以下是有助于更好地了解电压参考噪声如何影响 Δ-Σ ADC 的要点的摘要：

• 降低参考噪声：
  • 使用低噪声参考
  • 减少您的 ENBW
  • 增加参考电压（只要参考噪声不成比例增加）
  • 使用比例配置
• 通过选择提供与 ADC 噪声性能相似的参考噪声性能的参考配置来优化系统噪声性能。