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电路中放大器噪声分布分析

2018年01月12日 09:43 次阅读
当模数转换器(ADC)的模拟输入被驱动至额定满量程输入电压时,ADC提供最佳性能。但在许多应用中,最大可用信号与额定电压不同,可能需要调整。用于满足这一要求的器件之一是可变增益放大器(VGA)。了解VGA如何影响ADC的性能,将有助于优化整个信号链的性能。 本文分析一个采用双通道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。信号链包括一个VGA(在+6 dB增益设置下使用)、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计算,因为这些噪声决定ADC在目标频段内的动态性能。

问题

许多采用高速ADC的实际应用都需要某种驱动器、放大器或增益模块,用以将输入信号缩放到满量程模拟输入范围1 ,确保获得最佳 信噪比 (SNR)和无杂散动态范围(SFDR)。此外,差分放大器也可以将单端信号转换为差分信号来驱动ADC。这些器件都是有源器件,因而会增加ADC前端的噪声。此噪声在工作带宽内的积分会降低转换性能。 针对具体应用,适当ADC的选择取决于许多因素,包括:
  • 模拟输入范围
  • 输入频率/带宽
  • 所需分辨率/SNR
  • 所需SFDR
某些应用同时要求高动态范围和高分辨率。AD9268在70 MHz中频提供78.2 dBFS(dB相对于满量程)的SNR和88 dBc的SFDR,非常适合此类应用。 在系统层面,ADC前端可以使用放大器、变压器或巴伦,但使用放大器的实现方案最为常见。使用放大器的原因可以是下面的一条或几条:
  1. 为输入信号提供增益以提高ADC分辨率。
  2. 缓冲或变换输入源与ADC之间的阻抗。
  3. 将单端输入信号转换为差分输出信号。
AD8375 VGA可以用来将单端信号转换为差分信号,同时它能在不同增益设置下保持高线性度和一致的噪声性能。这些特性使它成为在较高中频下驱动ADC的上好选择。糟糕的是,信号链中的有源器件(即放大器),可能会限制ADC的性能。

示例

图1给出了噪声计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)。放大器通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。 图1. AD8375、AAF和AD9268信号链 图2. AD8375、AAF和AD9268信号链的频率响应 性能 系统龙8国际娱乐网站师不会期望驱动ADC输入端的放大器降低系统的总体动态性能,但针对某一应用选择的驱动器和ADC组合,并不意味着它能在另一应用中提供同样出色的性能。利用本文所述long88.vip龙8国际,系统工程师可以在选择放大器之前估计预期的性能。 图3显示了两种不同的设置。图3(a)利用无源耦合连接转换器,是客户评估板的默认选项。无源前端网络利用变压器或巴伦,以及一个滚降频率约为200 MHz的无源低通滤波器,将单端信号转换为差分信号。图3(b)显示的可选放大器路径。这两种设置贡献的噪声比较如下。利用低中频(10 MHz)时的单音快速傅里叶变换(FFT)来计算放大器增加的噪声。 图3. 典型ADC前端:(a) 无源;(b) 有源 噪声分析通常使用两种long88.vip龙8国际,但每种long88.vip龙8国际都很麻烦。噪声谱密度(NSD)定义单位带宽的噪声功率。对于ADC,其单位为均方dBm/Hz或dBFS/Hz;对于放大器,其单位为均方根nV/√Hz。用放大器驱动ADC时,这种单位的不一致性构成系统噪声计算的障碍。 噪声系数(NF)是输入SNR与输出SNR的对数比,用dB表示。这一特性通常为RF工程师所用,在纯RF环境下很有意义,但在带ADC的信号链中使用NF计算,可能会导致令人误解的结果。2 另一种更有效的long88.vip龙8国际是对噪声密度进行“反归一化”处理,将其表示为均方根噪声电压,而不是均方电压。这种方法直截了当,能够对系统噪声进行清晰的分析,下面将予以说明。 图4和图5分别显示这两个前端的低频单音FFT。注意,无源前端的SNR为77.7-dBFS,而有源前端的SNR为72.5-dBFS,比ADC的预期性能低5.2 dBFS。 图4. 图3a电路10 MHz模拟输入音的FFT 图5. 图3b电路10 MHz模拟输入音的FFT

分析

图3a与图3b所示设置的唯一不同是信号链中增加了放大器,因此可以放心地说,性能降低是由放大器的噪声引起的。下面的计算有助于了解放大器带来的噪声。 首先,按照数据手册的规定,使用转换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) 基于ADC在10 MHz时的典型SNR,转换器的噪声贡献为 (2) (3) Using VNOISE, ADC = 92.2 μV rms, 带放大器前端的系统SNR为 = 72.5 dBFS, 利用公式3计算系统噪声得到168 μV rms。 (4) (5) 从公式4得到的系统噪声是ADC和VGA的合并噪声。放大器噪声可以利用公式5计算,结果为140 μV rms。这表明,放大器噪声至少比ADC噪声大50%,因此它是系统交流性能的限制因素。 注意,必须判断计算得到的VNOISE, AMP值是否与放大器的数据手册一致。在150 Ω差分输出阻抗下,额定噪声谱密度约为20 nV/√Hz。 虽然数据手册声称VGA的噪声基本上不随增益而变化,但此噪声会随负载而变化,因此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),因此放大器看到的阻抗(见图1)可以计算如下: [10 Ω + (300 Ω||150 Ω||3.5 kΩ)] = 107 Ω。 利用此数值,本应用中AD8375的减额噪声谱密度可以通过公式6计算: (6) 注意,利用实际滤波器计算系统噪声时,噪声带宽的形状与理想滤波器不同。频率响应的这种差别用“形状因子”这一术语来定义,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,形状因子越接近1。这一关系可从表1看出。 表1. 系统阶数与形状因子的关系 系统阶数形状因子 1 1.57 2 1.11 31.05 41.03 51.02 图1示例的形状因子为1.02。利用公式6计算放大器注入的噪声: VGA注入系统的这一估计噪声值与利用公式5算得的测量值非常吻合,证明由AD8375和AD9268组成的信号链的性能主要取决于放大器。

结束语

许多情况下,系统信号链需要一个放大器(VGA或增益模块)来将满量程信号驱动到ADC。系统龙8国际娱乐网站师必须了解不同放大器选择导致的ADC性能降低情况。利用所选放大器和ADC进行龙8国际娱乐网站之前,龙8国际娱乐网站师可以利用本文所述的方法计算放大器的噪声分布,估计预定系统实现方案的预期动态性能(通过SNR表示)。

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许多工业系统都需要以最高的准确度来测量关键性的参数。实例包括地震监测、能源勘探、气流感测和硅晶圆制造...
发表于 2017-12-01 15:33 175次阅读
数据转换器的准确度和成本取得突破性进展

一种快速实现SEPIC-C'uk转换器新型龙8国际娱乐网站工...

虽然轨到轨单电源运算放大器已得到广泛使用,但仍然常常需要由单一(正)输入供电轨产生两个供电轨(例如1...
发表于 2017-11-30 14:07 121次阅读
一种快速实现SEPIC-C'uk转换器新型龙8国际娱乐网站工...

光电转换器和光纤收发器的区别

光电转换器,有百兆光纤收发器和千兆光纤收发器之分,是一种快速以太网,其数据传输速率达1Gbps。光纤...
发表于 2017-11-28 08:54 944次阅读
光电转换器和光纤收发器的区别

什么是逐次比较型adc?逐次比较型adc原理分析

转换方式直接转换ADC2.电路结构逐次逼近ADC包括n位逐次比较型A/D转换器。它由控制逻辑电路、时...
发表于 2017-11-26 08:59 525次阅读
什么是逐次比较型adc?逐次比较型adc原理分析

什么是并行比较型ADC

ADC,Analog-to-Digital Converter的缩写,指模/数转换器或者模数转换器。...
发表于 2017-11-25 09:58 273次阅读
什么是并行比较型ADC

ldo和dcdc的优点和缺点

LDO是低压降的意思,这有一段说明:低压降(LDO)线性稳压器的成本低,噪音低,静态电流小,这些是它...
发表于 2017-11-24 17:10 638次阅读
ldo和dcdc的优点和缺点

突破基准系列转换器分析

突破基准系列转换器,选用阻燃合金工程塑料,出自专业研发团队的个性化龙8国际娱乐网站,具备过载保护、极性检测、安全...
发表于 2017-11-24 12:44 269次阅读
突破基准系列转换器分析

电磁效应领域基础与前沿long88.vip龙8国际 主题论坛

发表于 2017-11-23 10:40 822次阅读
电磁效应领域基础与前沿long88.vip龙8国际  主题论坛

转换器领域的进步带来了软件定义无线电的全新跨越

鉴于SDR的接收器仅仅由一个低噪声放大器(LNA)和一个滤波器和ADC组成,随着半导体行业在RF采样...
发表于 2017-11-21 18:39 67次阅读
转换器领域的进步带来了软件定义无线电的全新跨越

噪声和图像信号A/D 转换器深入解读

《面向AMetal框架与接口的编程(上)》一书对AMetal框架进行了详细介绍,通过阅读这本书,你可...
发表于 2017-11-20 08:54 3528次阅读
噪声和图像信号A/D 转换器深入解读

针对高速数据转换器的最新高速JESD204B标准...

JESD204B是最新的12.5 Gb/s高速、高分辨率数据转换器串行接口标准。转换器制造商的相关产...
发表于 2017-11-18 18:57 271次阅读
针对高速数据转换器的最新高速JESD204B标准...

关于JESD204B转换器与FPGA匹配的龙8国际娱乐网站关...

随着更多的模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)支持最新的JESD204B串行接口标准,出现了F...
发表于 2017-11-18 01:48 115次阅读
关于JESD204B转换器与FPGA匹配的龙8国际娱乐网站关...

光伏逆变器制作

发表于 2017-11-17 20:19 704次阅读
光伏逆变器制作

hdmi转vga转换器和转换线的区别

HDMI转VGA相关产品被广泛运用于日常工作中,包括视频会议、家庭娱乐、电教化系统等场合。深圳市绿联...
发表于 2017-11-17 17:59 608次阅读
hdmi转vga转换器和转换线的区别

vga转hdmi转换器连接使用方法解析

HDMI是的缩写,意思是高清晰度多媒体接口,是一种数字化视频/音频接口long88.vip龙8国际,适合影像传输的专用型数字...
发表于 2017-11-17 17:48 915次阅读
vga转hdmi转换器连接使用方法解析

观察噪声频谱密度在目标频段内分布以便选择最合适的...

不断丰富的高速和极高速ADC以及数字处理产品正使过采样成为宽带和射频系统的实用架构方法。半导体long88.vip龙8国际进...
发表于 2017-11-16 20:41 188次阅读
观察噪声频谱密度在目标频段内分布以便选择最合适的...

同步多个GSPS转换器的测试方法分析以及结果对比

多个转换器的同步可用于此类应用,例如雷达、电子战(EW)、超声、以及使用数字波束成形long88.vip龙8国际以便处理一大...
发表于 2017-11-16 19:03 232次阅读
同步多个GSPS转换器的测试方法分析以及结果对比

模数转换器时钟优化:测试工程观点

系统时钟优化可以提升系统的性能,但也颇具挑战性。为模数转换器龙8国际娱乐网站抖动为350飞秒(fs)的编码电路是...
发表于 2017-11-16 17:42 326次阅读
模数转换器时钟优化:测试工程观点

ade7758与单片机连接电路

ADE77581是一款高准确度的三相电能计量芯片,带有两路脉冲输出功能和一个串行接口。ADE7758...
发表于 2017-11-16 17:18 229次阅读
ade7758与单片机连接电路

模数转换器系统受电源影响的4种保护措施

这里有四种您可采取的措施,能确保您的ADC不太容易受到电源变化和噪声的影响。 1、选择具有良好电源抑...
发表于 2017-11-16 16:25 53次阅读
模数转换器系统受电源影响的4种保护措施

高速转换器long88.vip龙8国际的进步对下一代无线通信系统龙8国际娱乐网站的支...

无线通信网络正在迅猛发展。消费者对增强数据服务的需求日益增长,对带宽的使用率也在上升。新一代无线通信...
发表于 2017-11-16 16:00 123次阅读
高速转换器long88.vip龙8国际的进步对下一代无线通信系统龙8国际娱乐网站的支...

多路复用数据采集系统构成和应用面临的挑战

工业过程控制、便携式医疗设备和自动化测试设备中使用的多路复用数据采集系统(DAS)需要更高的通道密度...
发表于 2017-11-15 15:39 110次阅读
多路复用数据采集系统构成和应用面临的挑战

adc0804操作方法

ADC0804是逐次比较型A/D转换器,它采用CMOS工艺20引脚集成芯片,分辨率为8位,转换时间1...
发表于 2017-11-12 10:37 602次阅读
adc0804操作方法

adc0804工作原理

集成A/D转换器品种繁多,选用时应综合考虑各种因素选取集成芯片。一般逐次比较型A/D转换器用的比较多...
发表于 2017-11-12 09:21 966次阅读
adc0804工作原理

电源管理IC的特性测试及方法

容性负载不容易高速驱动,根本原因在于电压变化产生的电流充电速度仅受等效串联电阻(ESR)的限制,而等...
发表于 2017-11-10 08:51 2089次阅读
电源管理IC的特性测试及方法

听键A1耳机蓝牙转换器小东西,瞬间让耳机有线变无...

无线耳机比较大的一个不足,可能是相对有线耳机来说会对音质造成一定的衰减,听键A1具有“音质补偿”的功...
发表于 2017-11-09 17:13 451次阅读
听键A1耳机蓝牙转换器小东西,瞬间让耳机有线变无...

基于ICL7107的数字电压表

随着科学long88.vip龙8国际的发展,数字电压表的种类越来越多,功能越来越丰富,当然应用的领域也越来越广泛,给人们的工...
发表于 2017-11-07 17:39 492次阅读
基于ICL7107的数字电压表

DAC0832的D/A转换

DAC0832它采用二次缓冲方式这样可以在输出的同时,采集下一个数字量,以提高转换速度。 而更重要的...
发表于 2017-11-06 17:16 411次阅读
DAC0832的D/A转换

一个高质量电源效率可以达到怎样的水平

能量转换系统必定存在能耗,虽然实际应用中无法获得100%的转换效率,但是,一个高质量的电源效率可以达...
发表于 2017-10-31 15:56 1380次阅读
一个高质量电源效率可以达到怎样的水平

使用PIC12F1501来创建数字控制升压电源

降压转换器的输入电压范围为 8 至 16V DC,输出端为 5V DC、2A 和 10W。代码大小1...
发表于 2017-10-31 10:59 1733次阅读
使用PIC12F1501来创建数字控制升压电源

结合数字方法对ADC信噪的测试

传统的动态测试方法是用高精度DAC来重建ADC输出信号,然后用模拟方法分析(如图1所示)。但这样的测...
发表于 2017-10-31 08:32 212次阅读
结合数字方法对ADC信噪的测试

ad637有效值检测电路

检测交流信号的有效值并以直流信号输出。龙8国际娱乐网站要求尽量提高精确度,减小频率的影响。工作电压为正负5V的双...
发表于 2017-10-30 10:38 659次阅读
ad637有效值检测电路

模块化 DC/DC 转换器相较于分立解决方案的优...

复杂的现代电路通常包含大量元器件,例如微控制器、IC、DSP 和 FPGA 等。每个元器件均具有特定...
发表于 2017-10-24 17:18 1625次阅读
模块化 DC/DC 转换器相较于分立解决方案的优...

数字隔离器为何采用隔离式DC-DC转换器

集成隔离电源isoPower®的iCoupler®数字隔离器采用隔离式DC-DC转换器,能够在125...
发表于 2017-10-24 06:10 2732次阅读
数字隔离器为何采用隔离式DC-DC转换器

ad7705long88.vip龙8国际参数

AD7705美国模拟器件公司(其在中国注册公司为:亚德诺半导体long88.vip龙8国际有限公司)生产的模数转换器。AD7...
发表于 2017-10-23 10:44 376次阅读
ad7705long88.vip龙8国际参数