1 降低参考电压噪声影响
进入数据采集系统的参考噪声量取决于参考源的噪声性能以及满量程(FSR)利用率。如下图所示,绘制了ADC噪声、参考噪声和总噪声随满量程(FSR)利用率变化。
2 选择低噪声参考电压
降低进入系统的参考电压噪声量可通过选择较小的基准电压源。然而,实际系统中需要匹配参考电压噪声和ADC噪声。例如,如果使用ADS1261对2.5V输入信号进行采样,则只能使用1V/V的增益。在这种情况下,由于ADC满量程范围利用率很高,选择噪声比REF6025低的基准电压对整个系统的噪声影响很小。
3 增加参考电压
另外一种可能降低参考电压噪声影响的方法是提高参考电压,因为这种情况下ADC满量程输入范围利用率会变小。例如,将参考电压加倍可将利用率降低2倍。然而,这种方法仅在参考噪声没有按比例增加的情况下提供系统噪声效益,但情况并非总是如此。许多离散电压参考规定噪声单位为,因为参考噪声与参考电压成线性关系,随着基准的提高,噪声也等比例变大。在这种情况下,基准电压加倍也会使参考噪声加倍,尽管利用率降低,但不会产生系统噪声效益。
4 降低有效噪声带宽
减小传入系统的参考电压噪声的第三种选择是限制总体有效噪声带宽(ENBW)。现在ENBW的一种方法是降低抗混叠或参考电压滤波器截止频率。由于C0G电容的低电压和温度系数,通常建议使用C0G型电容作为输入信号路径滤波器。信号链设计中使用的典型C0G电容器最多只能使用10-15nF,这就限制了抗混叠滤波器截止频率的下限。由于电压参考的直流输出电压几乎恒定,参考滤波器可能采用更高电容的X7R型电容器。对于每种滤波器类型,使用低漂移、低阻抗电阻器(<10kΩ), 因为电阻的热噪声随着阻抗的增加而增加,并可能开始主导信号链噪声。
降低系统ENBW更为常见的方法是降低ADC的输出数据速率,下图显示了降低ADC输出数据速率如何同时降低ADC和参考电压噪声的。100%利用率下的参考电压噪声降低了2.3倍,而ADC噪声降了10倍,导致总噪声大大降低。
虽然这三种方法可以在许多应用中降低参考噪声,但有些系统会有相关指标限制,例如稳定时间或传感器输出电压,使得这些技术更难使用。在这种情况下,可以通过选择适当的参考电压配置来减少传入系统的参考噪声量:内部参考、外部参考或比例电路。
5 内部参考电压
精密ADC内部通常集成精密电压基准,集成参考电压消除了外部参考所增加的成本、面积和功耗。然而,一般来说,与精密外部基准相比,内部参考系的功率较低,可能具有更高的噪声和更高的漂移,因此不太适合某些高精度系统。
6 外部参考电压
如果集成参考电压的规格不够,而ADC允许使用外部参考源,则可以选择外部参考源。与集成参考相比,外部参考通常受益于较低的噪声和更好的漂移参数。这种性能的提高是以更高的功耗、额外的成本和增加的印刷电路板(PCB)面积为代价的。另外,由于ADC和基准电压不共用同一个芯片,它们的温度漂移规范可能不再相关;这是一个综合参考案例。因此,ADC和基准可以独立地向相反的方向漂移,从而导致更大的误差。为避免此问题,请将两个设备连接到一个良好的、导热的接地层上。
将ADC连接到外部参考源时,建议将ADC的REFN脚直接连接至外部参考源的GND脚位,而不是将ADC的REFN直接连接到PCB的接地平面。这就形成了一个“星形”接地连接,有助于避免接地层噪声影响ADC的REFN脚。
7 比例基准电路
如果需要传感器激励,例如测量电阻电桥或电阻温度检测器(RTD),则使用比例测量配置。此配置对模拟输入和参考电压使用相同的激励源。因此,激励源中的任何噪声或漂移都会对测量和基准产生同样的影响。由于ADC输出代码是输入与基准的比值,激励源噪声和漂移趋于抵消,从而导致噪声性能更接近短路输入情况。一般来说,与其他两种配置相比,这种配置产生的总噪声量最低。
比例基准的主要缺点是它只能用于需要传感器激励的应用场合。因此,如果系统不需要传感器激励,则必须从其他两个参考配置选项中选择一个。
8 低分辨率与高分辨率ADC
一般来说,这些高分辨率ADC提供非常低的噪声,因此任何参考噪声都会对系统噪声产生显著影响。可以将用于测量参考噪声对高分辨率adc的影响的原理应用到低分辨率ADC。使用前面示例中的相同设置,将REF6025连接到具有不同分辨率的ADC上,并在100%利用率下测量总噪声。
选择八个具有不同分辨率的ADC作为上图中的n位ADC。下表提供了每个ADC噪声与分辨率的关系。
低分辨率ADC(<16位)的总噪声主要是量化噪声为主导,因此其噪声基本等于最低有效位(LSB)。相反,由于高分辨率ADC中主要以热噪声为主导,18、24和32位ADC噪声大于相应的LSB大小。
为了计算ADC和参考电压的组合噪声,取每个分量噪声的平方根(RSS),假设100%的利用率。下表包括两个组件的总噪声,以及与仅ADC噪声相比噪声增加的百分比。
由上表可知,ADC分辨率 ≤ 16位时,REF6025的噪声实际上对系统的总噪声没有影响,即使在100%的利用率下也是如此。在这些情况下,ADC量化噪声超过参考噪声。因此,使用低噪声外部参考在这里对系统性能改善没有显著帮助,特别是与增加的系统成本和尺寸相比。事实上,许多低分辨率的ADC不包括外部参考输入,而是依赖于一个集成的基准甚至是电源电压来执行这个功能。
参考噪声对18位、24位和32位高分辨率ADC的影响更大。外部参考电压噪声对系统噪声影响非常明显。且随着ADC分辨率的提高,这个结果更加显著,由于外部参考电压噪声的影响,32位ADC系统噪声增加了难以置信的553%。在更高的分辨率水平上,使用本文概述的降噪方法并选择适当的参考配置对于保持测量精度至关重要。