[问答]

浅谈转换器的噪声

问答对人有帮助，内容完整，我也想知道答案 0 Rob Reeder，ADI（美国北卡罗来纳州格林斯博罗）工业与仪器仪表部门高级系统应用工程师，负责防务和航空航天应用，发表了大量有关各种应用的转换器接口、转换器测试和模拟信号链设计的论文。 Rob曾在高速转换器产品线上担任应用工程师8年之久，他撰写的《浅谈转换器的噪声》从两个方面来谈转换器的噪声。分享在这里，共坛子里的侠士们参考、学习~ 从模数转换器的角度来看，噪声系数是不是很重要？从转换器的角度来看，噪声指数（NF）和信噪比（SNR）是可以互换的。噪声指数让您对噪声密度有很好的理解, 而信噪比是衡量有关频带内总噪声的大小。下面，让我们详细的讨论下噪声指数，一些折衷做法可能会导致人们的误解，而且低噪声指数并不总是意味着转换器有较低的前端噪声。当我们需要了解级联信号链系统中噪声对设计的动态影响时，往往会用到噪声指数(NF)。请记住，当源电阻增加到原来的四倍时，噪声指数将改善6 dB，但同时，随着电阻的增加，相应地也增加了进入模数转换器的热噪声。当源电阻增大, 或是加到转换器的模拟前端（变压器、放大器或其它）的输入信号达到满量程一半时, 在感兴趣的带宽内的噪声就越难于处理，从而最终恶化转换器的性能。为什么会这样呢？如果变压器或放大器的满量程输入信号降低，那么就需要增加增益，这在理论上也很好理解，相比于放大器，变压器更依赖于增益带宽积这个指标。因此，举例来说，使用高阻抗比变压器可将噪声指数优化到尽可能低，但靠它来实现100MHz及更高频率常见高中频应用，却非常困难。放大器的问题也类似：随着增益的提高，放大器不仅放大了信号，而且放大了自身固有的噪声，因而会迅速劣化转换器的性能。为了保证性能，需要使用更复杂（更高阶)的抗混叠滤波器，而这样的滤波器将包含很多阻性和“有损耗”元件。其实，在设计前端时需要时刻注意噪声频谱密度（NSD)。噪声频谱密度的单位通常是nV/rt-Hz，对转换器来说这才是真正重要的一个指标，因为在数字域中这一个指标会被报告和反复揣摩，以将信号差分化并最终从频带内“挑选出”感兴趣信号。总之，要确保正确的分配增益，使整个信号链上所有的输入输出满量程信号达到最大。衰减、填充或阻抗在信号链中并不是好的噪声指数折衷方式，因为电阻的存在会浪费功率和增加噪声。后续第二部分将讨论电阻噪声和转换器噪声之间的比较。 ADC的噪声指数公式：NF = Pfs（dBm）+ 174dBm – SNR – 10log （BW)，其中Pfs=所用输入网络的满量程功率。与模数转换器的噪声相比，电阻噪声怎么样？* 在上一部分我们讨论了噪声指数（NF），并谈到了噪声频谱密度（NSD）的重要性，下面阐述一下原因。模数转换器的总噪声频谱密度性能实际上反映为一系列参数，如热噪声、抖动以及量化噪声——也就是特定带宽（BW）上的信噪比（SNR）。在设计人员试图理解被采样信号中的转换器最低可分辨“步进”时，转换器数据手册中给出的信噪比可以给他们提供现实的期望值。这个步进也被称为最低有效位或LSB。对于一个已知满量程输入的N位转换器，可以用下面的公式计算出信噪比和最低有效位大小，即SNR=20log（Vsignal-rms / Vnoise-rms），和LSB =（Vrms︱Fullscale/（2^N））。通过重新整理这个公式可以得出转换器的噪声Vnoise-rms =Vsignal-rms10^-SNR/20。因此，对于一个80MSPS、SNR=80dB、输入满量程电压为2Vpp的典型16位模数转换器来说，其噪声Vnoiserms = 70.7uVrms，或LSB值为10.8uVrms。下面让我们看一下电阻噪声。电阻噪声被定义为Vresn=sqrt（4kTB W阻值），因此一个1kΩ的电阻在1Hz带宽内将增加约4nV的噪声。公式中的T为开尔文温度（室温 = 290K），BW是带宽，k是波尔茨曼常数（1.38x10E- 23 瓦/秒/K）。对于转换器的电阻噪声，看起来似乎不必过于担心，但实际上千万不要被表象所迷惑。让我们继续讨论如何降低噪声指数以便提高灵敏度。我们可以在转换器前端设计中增加增益和电阻来达到这一目的。在无源前端情况下，输入满量程降低2倍，意味着噪声指数将下降6dB。不过，还要考虑非相关的电阻噪声。例如，在40MHz带宽内，一个50Ω的源电阻意味着电阻噪声有7.2uV。请注意：在单极点系统中，噪声带宽比信号带宽大1.57倍，这个50欧姆的电阻带来的热噪声对系统的信噪比的恶化不会超过0.1dB，即，Vnoise-rms=sqrt（7.2uV^2 + 70.7uV^2）=71uVrms。这个幅度不是太大，但我们还没有把系统中的增益考虑进去。当信号链中的增益为2时，一个50Ω的电阻引起的噪声相当于14.4uVrms，而相反的负载侧的200Ω终端电阻噪声将额外增加14.4uVrms。在这两个非相关的噪声源和的平方根（RSS）共同作用下，总噪声将达20.3uVrms，相当于2个LSB! 这里的关键是转换器噪声远远大于电阻噪声项，即使转换器前有一些增益也是如此。然而，随着在整个信号链中使用更大的电阻和增益，总噪声将很容易使信噪比变差（LSB=1位=6dB）。因此，在信号链中分配增益一定要小心，因为各种负面因素的效应会很快叠加。读完以上内容，是不是对转换器的噪声有了更深层次的理解呢？欢迎跟帖发表讨论，分享自己在转换器噪声上的经验。 0
2018-8-8 07:54:23　　评论淘帖0 邀请回答您可以邀请以下用户，快速回答问题 × cong29898 该类别下有 74 个回答。邀请回答 bwerwer 该类别下有 68 个回答。邀请回答尼克wo 该类别下有 46 个回答。邀请回答崇明土匪该类别下有 45 个回答。邀请回答脑洞大赛7 该类别下有 40 个回答。邀请回答 xieweibin 该类别下有 40 个回答。邀请回答 yfdsfqdqd 该类别下有 38 个回答。邀请回答 wjwierw 该类别下有 38 个回答。邀请回答 Arttronix 该类别下有 32 个回答。邀请回答 bgvywerq 该类别下有 25 个回答，其中被选为最佳答案 1 次。邀请回答 easonl 该类别下有 24 个回答。邀请回答 evpt 该类别下有 24 个回答。邀请回答 wyerwwr 该类别下有 24 个回答。邀请回答 60user167 该类别下有 22 个回答。邀请回答脑洞大赛20 该类别下有 22 个回答。邀请回答 keven杨该类别下有 21 个回答。邀请回答 HTJD 该类别下有 20 个回答。邀请回答 h1654155957.9852 该类别下有 19 个回答。邀请回答胡bbs2 该类别下有 19 个回答。邀请回答 xiaokanchenfu 该类别下有 19 个回答。邀请回答举报顾天天相关推荐 • 时钟发生器的相位噪声和抖动性能为什么会影响到数据转换器？ 2703 • 请问数据转换器中噪声与误差之间的关系？ 319 • 请问如何应对高分辨率转换器器件的噪声挑战？ 1535 • 电压参考如何改变转换器性能？ 982 • Δ－Σ转换器信噪比如何不同？ 853 • 开关转换器代替线性稳压器，如何有效降低噪声？ 22953 • 输入模数转换器中的噪声是不是越小越好呢？ 1066 • 如何围绕高速数模转换器中的相位噪声贡献进行设计？ 1608 • 如何正确选择转换器？ 873 • 什么是模数转换器的噪声、ENOB和有效分辨率？ 1057 1个回答