使用全差分放大器補(bǔ)充 ADC 本底噪聲

使用全差分放大器補(bǔ)充 ADC 本底噪聲。 

全差分放大器用于混合信號(hào)設(shè)計(jì)以管理差分對(duì)。差分對(duì)是信號(hào)強(qiáng)度相等但信號(hào)強(qiáng)度相反且具有共享頻率的信號(hào)。這些對(duì)最常用于低壓、高頻信號(hào)傳輸，因?yàn)樗鼈兡軌驕p輕共模噪聲。全差分放大器可以采用單個(gè)輸入并將其輸出到差分對(duì)中，或者放大器可以采用差分對(duì)輸入和輸出到差分對(duì)中。放大器通過兩個(gè)反饋環(huán)路和偏移補(bǔ)償來做到這一點(diǎn)。它們適用于混合信號(hào)系統(tǒng)中的任何敏感頻率節(jié)點(diǎn)，尤其適用于模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)。

汽車系統(tǒng)使用全差分放大器與 ADC 的組合，用于無線電臺(tái)及其各自的嵌入式系統(tǒng)。汽車內(nèi)的許多嵌入式系統(tǒng)管理來自和接收傳感器的信息，這些傳感器使用相機(jī)和/或視頻在整個(gè)汽車中進(jìn)行復(fù)雜的通信。汽車在動(dòng)態(tài)環(huán)境中運(yùn)行，受周圍設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施的溫度波動(dòng)和噪音影響。

行車記錄儀使用全差分放大器顯示清晰的動(dòng)態(tài)圖像

帶 ADC 的全差分放大器的特性

全差分放大器 (op-amps) 用于混合信號(hào)系統(tǒng)，以減輕寬帶寬上的噪聲。它采用差分信號(hào)對(duì)來消除共模噪聲。由于阻抗不匹配和時(shí)鐘邊沿速率，共模噪聲在大多數(shù)電氣系統(tǒng)中很常見。具有主動(dòng)管理共模噪聲的設(shè)計(jì)是理想的，這就是為什么全差分放大器可用于敏感信號(hào)管理的原因。它們的寬帶寬也產(chǎn)生整體低頻譜信號(hào)密度，使其適合與 ADC 一起使用。

模數(shù) (ADC) 轉(zhuǎn)換器依靠無噪聲信號(hào)輸入來利用其全動(dòng)態(tài)范圍。如果信號(hào)在ADC 的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的噪聲干擾出現(xiàn)在其輸入端，則會(huì)丟失到本底噪聲。當(dāng)位丟失到本底噪聲時(shí)，ADC 無法使用所有位進(jìn)行轉(zhuǎn)換。當(dāng) ADC 內(nèi)的全分辨率丟失時(shí)，本底噪聲信號(hào)會(huì)被削波或相關(guān)信號(hào)出現(xiàn)其他類型的失真。設(shè)計(jì)混合信號(hào)系統(tǒng)以保持精度需要精心選擇能夠互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)的部件。

ADC： 模數(shù)轉(zhuǎn)換。一種將模擬信號(hào)（例如麥克風(fēng)拾取的聲音或進(jìn)入數(shù)碼相機(jī)的光線）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的系統(tǒng)。ADC 還可以提供隔離測(cè)量，例如將輸入模擬電壓或電流轉(zhuǎn)換為表示電壓或電流幅度的數(shù)字?jǐn)?shù)字的電子設(shè)備。

CCD： 電荷耦合器件。一種用于電荷移動(dòng)的裝置，通常從裝置內(nèi)部到可以操縱電荷的區(qū)域，例如，轉(zhuǎn)換成數(shù)字值。數(shù)字成像的一項(xiàng)主要技術(shù)。

差分放大器： 放大兩個(gè)輸入電壓之間的差異，但抑制兩個(gè)輸入共有的任何電壓。

ENOB： 有效位數(shù)是衡量 ADC 及其相關(guān)電路動(dòng)態(tài)范圍的指標(biāo)。

FS： 滿量程，在本文中用于滿量程音調(diào)，即應(yīng)用于運(yùn)算放大器以測(cè)量其頻譜噪聲的頻譜頻率。

FDA： 全差分放大器：具有差分輸入和差分輸出的直流耦合高增益電子電壓放大器。FDA通常用于將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成更適合驅(qū)動(dòng)到模數(shù)轉(zhuǎn)換器的形式；許多現(xiàn)代高精度 ADC 具有差分輸入。

GBP： 放大器的增益帶寬積是放大器帶寬與測(cè)量帶寬時(shí)的增益的乘積。

NSD： 噪聲譜密度是每單位帶寬的噪聲功率。當(dāng)參考（又名，在應(yīng)用時(shí)測(cè)量）滿量程音調(diào)時(shí)，它被寫為 dBFS/Hz。

PSD： 功率譜密度是信號(hào)中存在的功率，作為頻率的函數(shù)，每單位頻率 (W/Hz)

分辨率： ADC 的分辨率由用于表示模擬值的位數(shù)指定，原則上為 N 位信號(hào)提供 2N 個(gè)信號(hào)電平。

SNR： 信噪比。對(duì)于 ADC，它是 ADC 中所有噪聲源相對(duì)于輸入信號(hào)功率的總和。它通常表示為有效位數(shù)。

信號(hào)鏈： 信號(hào)處理和混合信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用的術(shù)語，用于描述一系列接收串聯(lián)輸入的信號(hào)調(diào)節(jié)電子元件，其中一部分鏈的輸出為下一部分提供輸入。

全差分放大器噪聲頻譜密度注意事項(xiàng)

事實(shí)證明，選擇增益帶寬積 (GBP) 比你將使用的 ADC 大得多的全差分放大器對(duì) ADC 信號(hào)底限的影響最小。這是因?yàn)槿罘址糯笃鞯男盘?hào)鏈分布在更寬的頻率范圍內(nèi)，從而保持噪聲幅度非常小。在對(duì) ADC 信號(hào)底限的影響最小的情況下，所有轉(zhuǎn)換位都將保持可用，而不會(huì)將轉(zhuǎn)換位丟失到噪聲中。

盡管觀察到三種常見的噪聲特性，但全差分放大器信號(hào)鏈會(huì)以多種方式產(chǎn)生噪聲。由于晶體管波動(dòng)，在低頻下會(huì)出現(xiàn)閃爍噪聲。存在來自輸入和內(nèi)部時(shí)鐘的采樣時(shí)間誤差的相位噪聲，并且在偏置離散中存在以熱噪聲為主的白噪聲。閃爍和相位噪聲出現(xiàn)在全差分放大器的 GBP 內(nèi)的兩個(gè)窄帶寬中，可能不會(huì)影響電路的運(yùn)行。但是，白噪聲會(huì)影響信號(hào)鏈中的整體本底噪聲，并可能對(duì) ADC 等下游電路模塊產(chǎn)生影響。選擇具有寬帶寬的全差分放大器對(duì)于保持 ADC 性能很重要。

由于白噪聲會(huì)影響信號(hào)鏈中的整體噪聲，因此必須小心選擇白噪聲強(qiáng)度與 ADC 本底噪聲相似的全差分放大器。充分利用 ADC 的動(dòng)態(tài)范圍將保證信號(hào)完整性。保持 ADC 本底噪聲而不是提高它，可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換的全分辨率位。并且利用所有有效位將在保持整個(gè)系統(tǒng)完整性的轉(zhuǎn)換過程中最大限度地減少損失。

事實(shí)證明，在選擇補(bǔ)充 ADC 本底噪聲時(shí)，您需要比全差分放大器的信噪比看得更遠(yuǎn)。全差分放大器 SNR 包括閃爍和相位噪聲，它們出現(xiàn)在接近 DC 的小帶寬或器件的測(cè)試音調(diào)處。這些噪聲包都不會(huì)影響全差分放大器工作帶寬上的信號(hào)鏈，因此對(duì) ADC 本底噪聲幾乎沒有影響。

在為 ADC 輸入選擇互補(bǔ)全差分放大器時(shí)，查看每個(gè)部件的總諧波失真 (THD) 是一個(gè)合適的評(píng)估參數(shù)。通過確保其 THD 至少比設(shè)計(jì)中使用的 ADC 高 10dB 可以選擇最高精度的全差分放大器。大帶寬全差分放大器通常具有更大的 THD。與 THD 至少小于 10 dB 的 ADC 一起使用將產(chǎn)生與 ADC 幾乎相同的本底噪聲。具有相似或低于 ADC 的本底噪聲將導(dǎo)致利用 ADC 動(dòng)態(tài)范圍的全分辨率進(jìn)行精確轉(zhuǎn)換。

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