鉅大LARGE | 點擊量：975次 | 2020年02月12日
電路中放大器噪聲分布分析
當模數轉換器（ADC）的模擬輸入被驅動至額定滿量程輸入電壓時，ADC提供最佳性能。但在許多應用中，最大可用信號與額定電壓不同，可能需要調整。用于滿足這一要求的器件之一是可變增益放大器（VGA）。了解VGA如何影響ADC的性能，將有助于優化整個信號鏈的性能。
本文分析一個采用雙通道16位、125/105/80MSpS、流水線ADCAD9268和超低失真中頻VGAAD8375的電路中的噪聲。信號鏈包括一個VGA（在+6dB增益設置下使用）、一個五階巴特沃茲低通濾波器（3dB滾降頻率為100MHz）和ADC。本文將給出放大器和濾波器的噪聲計算，因為這些噪聲決定ADC在目標頻段內的動態性能。
問題
許多采用高速ADC的實際應用都需要某種驅動器、放大器或增益模塊，用以將輸入信號縮放到滿量程模擬輸入范圍1，確保獲得最佳信噪比（SNR）和無雜散動態范圍（SFDR）。此外，差分放大器也可以將單端信號轉換為差分信號來驅動ADC。這些器件都是有源器件，因而會增加ADC前端的噪聲。此噪聲在工作帶寬內的積分會降低轉換性能。
針對具體應用，適當ADC的選擇取決于許多因素，包括：
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
模擬輸入范圍
輸入頻率/帶寬
所需分辨率/SNR
所需SFDR
某些應用同時要求高動態范圍和高分辨率。AD9268在70MHz中頻提供78.2dBFS（dB相對于滿量程）的SNR和88dBc的SFDR，非常適合此類應用。
在系統層面，ADC前端可以使用放大器、變壓器或巴倫，但使用放大器的實現方案最為常見。使用放大器的原因可以是下面的一條或幾條：
AD8375VGA可以用來將單端信號轉換為差分信號，同時它能在不同增益設置下保持高線性度和一致的噪聲性能。這些特性使它成為在較高中頻下驅動ADC的上好選擇。糟糕的是，信號鏈中的有源器件（即放大器），可能會限制ADC的性能。
示例
圖1給出了噪聲計算所用的電路拓撲結構。AD8375具有高阻抗差分輸出（16k||0.8pF）。放大器通過一個五階低通抗混疊濾波器（AAF）與ADC接口，該AAF具有100MHz帶寬和150輸入/輸出阻抗。圖1所示電路的頻率響應如圖2所示。
圖1.AD8375、AAF和AD9268信號鏈
圖2.AD8375、AAF和AD9268信號鏈的頻率響應
性能
系統設計師不會期望驅動ADC輸入端的放大器降低系統的總體動態性能，但針對某一應用選擇的驅動器和ADC組合，并不意味著它能在另一應用中提供同樣出色的性能。利用本文所述技術，系統工程師可以在選擇放大器之前估計預期的性能。
圖3顯示了兩種不同的設置。圖3（a）利用無源耦合連接轉換器，是客戶評估板的默認選項。無源前端網絡利用變壓器或巴倫，以及一個滾降頻率約為200MHz的無源低通濾波器，將單端信號轉換為差分信號。圖3（b）顯示的可選放大器路徑。這兩種設置貢獻的噪聲比較如下。利用低中頻（10MHz）時的單音快速傅里葉變換（FFT）來計算放大器增加的噪聲。
圖3.典型ADC前端：（a）無源；（b）有源
噪聲分析通常使用兩種技術，但每種技術都很麻煩。噪聲譜密度（NSD）定義單位帶寬的噪聲功率。對于ADC，其單位為均方dBm/Hz或dBFS/Hz；對于放大器，其單位為均方根nV/√Hz。用放大器驅動ADC時，這種單位的不一致性構成系統噪聲計算的障礙。
噪聲系數（NF）是輸入SNR與輸出SNR的對數比，用dB表示。這一特性通常為RF工程師所用，在純RF環境下很有意義，但在帶ADC的信號鏈中使用NF計算，可能會導致令人誤解的結果。2
另一種更有效的技術是對噪聲密度進行反歸一化處理，將其表示為均方根噪聲電壓，而不是均方電壓。這種方法直截了當，能夠對系統噪聲進行清晰的分析，下面將予以說明。
圖4和圖5分別顯示這兩個前端的低頻單音FFT。注意，無源前端的SNR為77.7-dBFS，而有源前端的SNR為72.5-dBFS，比ADC的預期性能低5.2dBFS。
圖4.圖3a電路10MHz模擬輸入音的FFT
圖5.圖3b電路10MHz模擬輸入音的FFT
分析
圖3a與圖3b所示設置的唯一不同是信號鏈中增加了放大器，因此可以放心地說，性能降低是由放大器的噪聲引起的。下面的計算有助于了解放大器帶來的噪聲。
首先，按照數據手冊的規定，使用轉換器的滿量程差分輸入電壓。將峰峰值電壓除以2√2得到均方根電壓，即0.707Vrms。
（1）
基于ADC在10MHz時的典型SNR，轉換器的噪聲貢獻為
（2）
（3）
UsingVNOISE，ADC=92.2Vrms，帶放大器前端的系統SNR為=72.5dBFS，利用公式3計算系統噪聲得到168Vrms。
（4）
（5）
從公式4得到的系統噪聲是ADC和VGA的合并噪聲。放大器噪聲可以利用公式5計算，結果為140Vrms。這表明，放大器噪聲至少比ADC噪聲大50%，因此它是系統交流性能的限制因素。
注意，必須判斷計算得到的VNOISE，AMp值是否與放大器的數據手冊一致。在150差分輸出阻抗下，額定噪聲譜密度約為20nV/√Hz。
雖然數據手冊聲稱VGA的噪聲基本上不隨增益而變化，但此噪聲會隨負載而變化，因此噪聲譜密度應根據放大器輸出驅動的總阻抗進行縮放。放大器的差分輸出阻抗很大（16k||0.8pF），因此放大器看到的阻抗（見圖1）可以計算如下：
［10?+（300?||150?||3.5k?）］=107?。
利用此數值，本應用中AD8375的減額噪聲譜密度可以通過公式6計算：
（6）
注意，利用實際濾波器計算系統噪聲時，噪聲帶寬的形狀與理想濾波器不同。頻率響應的這種差別用形狀因子這一術語來定義，反映滾降區中的噪聲。形狀因子取決于濾波器的階數，是噪聲帶寬與3dB帶寬的比值3。濾波器的極點越多，形狀因子越接近1。這一關系可從表1看出。
表1.系統階數與形狀因子的關系
系統階數形狀因子
11.57
21.11
31.05
41.03
51.02
圖1示例的形狀因子為1.02。利用公式6計算放大器注入的噪聲：
VGA注入系統的這一估計噪聲值與利用公式5算得的測量值非常吻合，證明由AD8375和AD9268組成的信號鏈的性能主要取決于放大器。
結束語
許多情況下，系統信號鏈需要一個放大器（VGA或增益模塊）來將滿量程信號驅動到ADC。系統設計師必須了解不同放大器選擇導致的ADC性能降低情況。利用所選放大器和ADC進行設計之前，設計師可以利用本文所述的方法計算放大器的噪聲分布，估計預定系統實現方案的預期動態性能（通過SNR表示）。
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為輸入信號提供增益以提高ADC分辨率。
緩沖或變換輸入源與ADC之間的阻抗。
將單端輸入信號轉換為差分輸出信號。
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