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。
