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與模數轉換器的噪聲相比,電阻噪聲怎么樣?

發布時間:2021-06-02 來源:Rob Reeder 責任編輯:wenwei

【導讀】模數轉換器的總噪聲頻譜密度性能實際上反映為一系列參數,如熱噪聲、抖動以及量化噪聲——也就是特定帶寬(BW)上的信噪比(SNR)。在設計人員試圖理 解被采樣信號中的轉換器最低可分辨“步進”時,轉換器數據手冊中給出的信噪比可以給他們提供現實的期望值。這個步進也被稱為最低有效位或LSB。對于一個 已知滿量程輸入的N位轉換器,可以用下面的公式計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))。
 
與模數轉換器的噪聲相比,電阻噪聲怎么樣?
 
與模數轉換器的噪聲相比,電阻噪聲怎么樣?
 
在第一部分我們討論了噪聲指數(NF),并談到了噪聲頻譜密度(NSD)的重要性,下面闡述一下原因。
 
模數轉換器的總噪聲頻譜密度性能實際上反映為一系列參數,如熱噪聲、抖動以及量化噪聲——也就是特定帶寬(BW)上的信噪比(SNR)。在設計人員試圖理 解被采樣信號中的轉換器最低可分辨“步進”時,轉換器數據手冊中給出的信噪比可以給他們提供現實的期望值。這個步進也被稱為最低有效位或LSB。對于一個 已知滿量程輸入的N位轉換器,可以用下面的公式計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))。
 
通過重新整理這個公式可以得出轉換器的噪聲Vnoise-rms =Vsignal-rms*10^-SNR/20。因此,對于一個80MSPS、SNR=80dB、輸入滿量程電壓為2Vpp的典型16位模數轉換器來 說,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1kΩ的電阻在1Hz帶寬內將增加約4nV的噪聲。公式中的T為開爾文溫度(室溫 = 290K),BW是帶寬,k是波爾茨曼常數(1.38x10E- 23 瓦/秒/K)。對于轉換器的電阻噪聲,看起來似乎不必過于擔心,但實際上千萬不要被表象所迷惑。
 
讓我們繼續討論如何降低噪聲指數以便提高靈敏度。我們可以在轉換器前端設計中增加增益和電阻來達到這一目的。在無源前端情況下,輸入滿量程降低2倍,意味著噪聲指數將下降6dB。不過,還要考慮非相關的電阻噪聲。
 
例如,在40MHz帶寬內,一個50Ω的源電阻意味著電阻噪聲有7.2uV。請注意:在單極點系統中,噪聲帶寬比信號帶寬大1.57倍,這個50歐姆的電 阻帶來的熱噪聲對系統的信噪比的惡化不會超過0.1dB,即,Vnoise-rms=sqrt(7.2uV^2 + 70.7uV^2)=71uVrms。這個幅度不是太大,但我們還沒有把系統中的增益考慮進去。當信號鏈中的增益為2時,一個50Ω的電阻引起的噪聲相當 于14.4uVrms,而相反的負載側的200Ω終端電阻噪聲將額外增加14.4uVrms。在這兩個非相關的噪聲源和的平方根(RSS)共同作用下,總 噪聲將達20.3uVrms,相當于2個LSB! 
 
這里的關鍵是轉換器噪聲遠遠大于電阻噪聲項,即使轉換器前有一些增益也是如此。然而,隨著在整個信號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,在信號鏈中分配增益一定要小心,因為各種負面因素的效應會很快疊加。 
 
 
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