强噪声背景下的复杂特征信号的识别与恢复(分析噪声频谱特性)

设计信号链时,重要的是通过噪声分析确定信号链解决方案是否具有足够低的噪声,以便能够轻松提取非常小的目标信号。仔细的噪声分析可以在生产过程中节约成本。本文将概述信号链噪声分析所需的主要步骤,以ADI公司精密宽带技术页面上的功耗优化电流和电压测量信号链为例,分析如何使用简单的数学计算来描述所有噪声的贡献,并了解每个模块对总噪声的贡献,以便设计人员适当修改设计。

图一。用于精密宽带宽电流/电压测量的功耗优化信号链

该分析分为五个主要步骤:

1.给出假设

2.画出信号链的简化原理图。

3.计算每个信号链模块的等效噪声带宽。

4.计算信号链输出端各模块的噪声贡献。

5.添加所有噪声成分。

1.给出假设

对于噪声分析或对信号链电路执行的任何分析,必须列出信号链中每个模块的假设。以下是本文工作的一些假设:

保护模块

假设保护模块不会增加任何显著的噪声。该模块的噪声是由保护开关模块的小导通电阻引起的。在下例中,我们使用ADG5421F,其导通电阻为11,因此产生0.43 nV/Hz的噪声频谱密度(NSD)。这个值只是增益模块最低NSD的1/18,所以不需要考虑。如果额外的保护措施(TVS二极管等。)时,也应考虑这些保护措施。

信号滤波模块

假设信号滤波模块只有一个极点。考虑到要研究的带宽(400 kHz)和采样频率(15 MSPS),假设单极点就足够了。

参考电压模块

假设来自基准电压模块的噪声可以忽略,因为所选基准电压源具有——0.25 p-p(10 Hz至1 kHz)和0.21 ppm rms(10 Hz至1 kHz)的出色噪声性能,因此不包括在分析中。这是这个信号链示例所特有的。如果使用不同的信号链和基准电压源,则需要进一步分析。

隔离模块

不考虑隔离模块的噪声。

其他假设

该分析在25 ( 298.15K)下进行。假设给定模块的NSD在采样频率上是一致的。仅考虑热噪声。对于ADC,取总噪声(kTC和附加噪声源)。采样频率(15 MSPS)远大于所研究的带宽(400 kHz)。

2.画出信号链的简化原理图。

根据信号链解决方案(见图1),绘制以下电平的简化原理图(见图2):

增益信号滤波器ADC驱动器ADC输入RC滤波器ADC

我们还可以注意到:

增益级被视为一个黑盒,因为其噪声性能基于增益,并且考虑了所有内部噪声源。这意味着数据手册中增益放大器的NSD值可以用来直接计算增益级产生的噪声。增益选择完全包含在增益级中。

过滤器嵌入在驱动程序中。使用无源滤波器可以降低整体功耗,这是所分析信号链的主要特性之一。在这种情况下,需要仔细选择Rfilter、RG和RF的值,以确保总信号增益为1,这在图4中突出显示。RG值对信号滤波器带宽的贡献如下:

在…之中

使用precision ADC driver工具计算RC网络的元件值(ADC采样前)。该工具中的默认值用于信号链分析和计算。这些值也可以在产品数据手册中找到或计算出来。

图二。简化信号链

3&4.计算每个信号链模块的等效噪声带宽(ENB),并计算每个模块在信号链输出端的噪声贡献。

在本节中,将分别计算每个模块的等效噪声带宽和噪声贡献。需要注意的主要公式有:

电阻的NSD可计算如下:

等效噪声带宽(ENB)是砖墙式滤波器的带宽,它产生的积分噪声功率与实施的滤波器相同。

信号链模块的ENB计算如下:(该公式仅适用于ADC输入RC滤波器和双极点滤波器g的组合

对于具有两个或更多极点的系统,参见表1。噪声带宽比用于计算ENB。

表1。噪声带宽比与极点数的关系

如图3所示,当无源滤波器用于信号滤波器时,适用以下分析。注意:对于这个分析,在信号滤波器中

这样做是为了避免驱动器级的增益,因为我们只想在增益模块中产生增益。此外,Rdriver=RF,如图4所示。

增益模块

增益模块产生的噪声由滤波器模块滤波,其带宽远低于ADC驱动器输出RC网络和ADC输入采样网络产生的滤波器。

NSD值考虑了增益模块的所有噪声源,并在数据手册中给出。

图3。噪声分析示意图

图4。设置噪声分析的电阻值

对于信号滤波器

信号滤波器或抗混叠滤波器应经过特殊设计,以便信号连接的全差分放大器(FDA)级保持增益为1。这意味着FDA输入电阻应分成两个相等的电阻:一个用于无源信号滤波器,另一个用于FDA输入。

电阻(R_filter)产生的噪声由滤波器本身滤波,其带宽远低于ADC输入RC滤波器和ADC采样RC产生的组合滤波器。

2与差分格式有关。

用于ADC驱动放大器电阻

放大器电阻(图4中突出显示的Rdriver和Rdriver/2)产生的噪声由信号链中接下来两个模块中的组合滤波器滤除。这是一个二阶滤波器,由ADC输入RC滤波器和ADC采样RC组成。

2与差分格式有关。

4与噪声增益相关。

2与差分格式有关。

这些噪声在同一个步骤中合并,如下所示:

对于驱动放大器

放大器产生的噪声由ADC输入RC滤波器和ADC采样RC产生的组合滤波器滤波。

二阶滤波

9与放大器噪声增益相关:

ADC输入RC滤波器

输入RC滤波器网络中电阻产生的噪声由ADC输入RC滤波器和ADC采样RC产生的组合滤波器滤波。

二阶滤波器

2与差分格式有关。

物理输出核心

ADC产生的噪声可以直接从数据手册中找到并计算出来。

满量程幅度和信噪比(SNR,单位为dBFS)可在数据手册中找到。

5.计算信号链的噪声。

要将所有噪声贡献相加,请使用平方和和平方根法:

噪声的频谱密度

考虑到ADC的采样频率,可以计算噪声频谱密度(NSD)。

注意要点

只有在同一带宽上进行测量,才能直接将不同设备的NSD相加。

信号滤波器电阻值的选择取决于应用的噪声要求、信号链的功耗和所研究的带宽。

电流/电压噪声、带宽和功耗的进一步分析;

观察记录表

表二。差分信号链的噪声源

图5。例子

表3。不同级别的噪声贡献在图5的例子中

*以上测量的单位均为V rms。

结论

通过以上步骤,设计人员将能够分析和计算所选信号链的噪声性能。分析将有助于了解信号链中的不同元件如何影响噪声性能,以及如何将噪声降至最低(例如,改变电阻、改变元件或使等效噪声带宽降至最低)。这样,设计人员可以创建一个方案,确保信号链可以提取极小的目标信号,有助于节省成本。

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