Yüksek Çözünürlük - ADC'lerde Gürültü Hakkında En Önemli On Soru
Kaynak: Texas Instruments Yazar: Bryan Lizon
Herhangi bir yüksek çözünürlüklü sinyal zinciri tasarımının temel zorluklarından biri, analogdan dijitale dönüştürücünün (ADC) ilgilenilen sinyali ayırt edebilmesi için sistem gürültü tabanının yeterince düşük olmasını sağlamaktır. Örneğin, Texas Instruments ADS1261'i (24-bit düşük gürültülü delta-sigma ADC) seçerseniz, giriş sinyalini 128 V / V kazançla 2,5 SPS'de 6 nVRMS'ye kadar çözebilirsiniz.
Bununla birlikte, sistem açısından, ADC gürültüsünden daha fazlası için endişelenmeniz gerekir - sonuçta tüm bileşenler (amplifikatörler, voltaj referansları, saatler ve güç kaynakları dahil) bir miktar gürültü üretecektir - bu bileşenlerin sistem gürültüsü üzerindeki kümülatif etkisi nedir ? Daha da önemlisi, sisteminiz ilgilendiğiniz sinyali çözebilir mi?
Sistem gürültüsünü daha iyi anlamanıza ve bu bilgiyi tasarımınıza uygulamanıza yardımcı olmak için, yakın zamanda "Sinyalleri Çözme" adlı bir dizi teknik makale yazdım. Bu seri, tipik bir sinyal zincirindeki yaygın gürültü kaynaklarını araştırır ve gürültüyü azaltarak ve yüksek hassasiyetli ölçümleri sürdürerek anlamaya yardımcı olur.
Hassas ADC'lerle tasarım yapmaya başlamanıza yardımcı olacak bu serideki en kritik 10 soru ve cevapları burada bulabilirsiniz.
1. adresinde olacaksınız ADC Bilgisayarda ne tür gürültü bulunur?
Toplam ADC gürültüsünün iki ana bileşeni vardır: niceleme gürültüsü ve termal gürültü. Niceleme gürültüsü, sınırsız sayıda analog voltajı sınırlı sayıda dijital koda eşleştirme işleminden gelir (Şekil 1'in sol tarafı). Bu nedenle, herhangi bir tek dijital çıkış, en az önemli bitin (LSB) yarısı kadar farklılık gösterebilen birkaç analog giriş voltajına karşılık gelebilir.
Elektrik iletkeni içindeki yüklerin fiziksel hareketi nedeniyle (Şekil 1'in sağ tarafı), termal gürültü tüm elektronik bileşenlerde doğal bir fenomendir. Ne yazık ki, ADC son kullanıcısı cihazın termal gürültüsüne müdahale edemez çünkü bu ADC tasarımının bir fonksiyonudur.
Şekil 1: Niceleme gürültüsü (solda) ve termal gürültü (sağda)
Termal gürültü ve niceleme gürültüsü hem düşük çözünürlüklü hem de yüksek çözünürlüklü ADC'leri etkiler mi? İlgili bilgiler için Bölüm 1 "Delta-Sigma ADC'lerinde Gürültüye Giriş" bölümünü okuyun.
2. ADC gürültüsü nasıl ölçülür ve belirlenir?
ADC üreticileri, ADC gürültüsünü ölçmek için iki yöntem kullanır. İlk yöntem, termal gürültü nedeniyle çıkış kodundaki küçük değişiklikleri ölçmek için ADC girişlerini kısa devre yapmaktır. İkinci yöntem, belirli bir genlik ve frekansa sahip bir sinüs dalgasının girilmesini (örneğin, 1 kHz'de 1 VPP) ve ADC'nin sinüs dalgasını nasıl ölçtüğünü bildirmeyi içerir. Şekil 2 bu tür gürültü ölçümlerini göstermektedir.
Şekil 2: Sinüs dalgası giriş testi kurulumu (solda) ve giriş kısa devre testi kurulumu (sağda)
Her bir ADC türü hangi ölçüm yöntemini kullanır? Bölüm 2'de gürültü ölçüm yöntemleri ve özellikleri hakkında daha fazla bilgi edinin.
3. Sistem gürültü analizi için en iyi gürültü parametresi nedir?
ADC gürültü analizi için, giriş referans gürültüsünü kullanmanızı tavsiye ederim. ADC performansını tanımlamak için girdi referanslı gürültünün kullanılması yaygın olmadığı için bu ifadeyi kalınlaştırıyorum. Aslında, çoğu mühendis yalnızca etkili ve gürültüsüz çözünürlük gibi ilgili parametrelerden bahseder ve bu değerleri maksimize edemediklerinde derinden endişe duyarlar. Sonuçta, 16 bitlik bir ADC'nin etkili çözünürlüğünü elde etmek için yalnızca 24 bitlik bir ADC kullanırsanız, gerçekte kullanmayacağınız ADC performansı için para ödüyormuşsunuz gibi gelir.
Bununla birlikte, 16 bitlik bir ADC'nin etkili çözünürlüğü, ADC'nin hangi tam ölçekli aralığı (FSR) kullanacağını size söylemez. Diğer bir deyişle, yalnızca 16 bit etkin çözünürlüğe ihtiyacınız olabilir, ancak minimum giriş sinyali 50 nV ise, sorunu çözmek için 16 bitlik bir ADC kullanamazsınız. Bu nedenle, yüksek çözünürlüklü bir delta-sigma ADC'nin gerçek faydası, sağlayabildiği düşük giriş referans gürültü seviyesidir. Bu, etkili bir çözümün önemli olmadığı anlamına gelmez, sadece bir sistemi parametreleştirmenin en iyi yolu olmadığı anlamına gelir.
Bölüm 3, bu gereksinimleri daha da ileri götürmek için sistem gürültü parametrelerini tanımlamak için gürültüsüz çözünürlük ve giriş referans gürültüsünün bir tasarım örneğini kullanır. En hızlı ve en uyarlanabilir çözüme hangisi ulaşabilir? Cevabı bulmak için makaleyi okuyun.
4. ENBW nedir ve neden önemlidir?
Genel sinyal işleme terimlerinde, filtrenin etkili gürültü bant genişliği (ENBW), ideal gerçek filtrenin kesme frekansı fC'dir ve gürültü gücü, orijinal filtrenin gürültü gücüne H (f) yaklaşık olarak eşittir.
Bir benzetme olarak, soğuk bir gecede evinizdeki durumu düşünün. Enerji maliyetlerini düşürmek ve paradan tasarruf etmek için, giren soğuk hava miktarını sınırlamak için kapıları ve pencereleri olabildiğince kapatmanız gerekir. Bu durumda, eviniz bir sistemdir, kapılarınız ve pencereleriniz filtredir ve soğuk hava gürültüdür ENBW, kapılarınızın ve pencerelerinizin nasıl açıldığının (veya kapatıldığının) bir ölçüsüdür. Şekil 3'te gösterildiği gibi boşluk ne kadar büyükse (ENBW), eve (sisteme) giren daha soğuk hava (gürültü) ve bunun tersi de geçerlidir.
Şekil 3: Geniş ENBW daha fazla parazit üretir (solda); dar ENBW daha az parazit üretir (sağda)
ENBW'ye hangi sistem bileşenleri katkıda bulunur? Daha fazla bilgi edinmek için Bölüm 4'ü okuyun.
5. Sistemin gürültü bant genişliğini nasıl hesaplıyorsunuz?
Sinyal zincirinizde birden fazla filtre bileşeni varsa, sinyal zincirindeki tüm aşağı akış filtrelerini birleştirerek her bileşenin ENBW'sini hesaplamanız gerekir. Filtreleri birleştirmek için, onları frekansa karşı genlik (desibel cinsinden) olarak çizin ve nokta nokta ekleyin.
Örneğin, Şekil 4'teki amplifikatörün parazit katkısını hesaplamak için, amplifikatörün bant genişliğini anti-aliasing filtresi, ADC'nin dijital filtresi ve herhangi bir post-processing filtresiyle birleştirmelisiniz. Bu durumda, elektromanyetik girişim (EMI) filtresini göz ardı edebilirsiniz çünkü amplifikatöre göre yukarı yönde konumlanmıştır.
Şekil 4: Birden çok filtreleme kaynağını gösteren tipik bir sinyal zinciri
Bu karmaşık olabilir, analizi basitleştirmek için ENBW yaklaşımını öğrenmek için lütfen Bölüm 5'i okuyun.
6. ADC'nin girişine harici bir amplifikatör eklenirse, bu sistem gürültü performansını nasıl etkiler?
ADC ve amplifikatörü ilgili gürültü kaynaklarından ayırarak gürültü analizi daha kolay yapılabilir. Bu durumda, Şekil 5'te gösterildiği gibi voltaj kaynağının her ikisinin de giriş referans gürültüsüne eşit olması ön koşuluyla, sistemi gürültüsüz bir amplifikatör ve gürültüsüz bir ADC olarak modelleyebilirsiniz.
Şekil 5: "Gürültüsüz" ADC ve amplifikatör referans giriş toplam gürültüsünü önden geçer
Ne yazık ki, ölçülen çıktı gürültüsü girişe yeniden referanslanmalıdır, çünkü çoğu ADC veri sayfalarında kullanılan girdi referanslı gürültü spesifikasyonudur. Amplifikatör ve ADC gürültüsünün ilintisiz olduğunu varsayarak, toplam çıkış referans gürültüsünü belirlemek için iki değerin kök toplam karesini (RSS) kullanın. Ayrıca amplifikatörün GAMP kazancı üzerinden amplifikatör gürültüsünü ayarlamanız gerekir. Denklem 1, ortaya çıkan çıkış referans gürültüsünü gösterir:
Giriş referans gürültüsüne nasıl dönüştürülür? GAMP kazanç ölçeği faktörünün sonuçları nelerdir? İlgili bilgiler için Bölüm 6'yı okuyun.
7. Aşırı kazanç var mı?
Yedinci makale dizisinde, ADS1261'in girişine birden çok harici amplifikatör ekleyen ve son gürültü performansını ölçen bir örneğe baktım. Daha sonra, bu kombinasyonları ADS1261'in temel gürültü performansıyla karşılaştırmak için entegre programlanabilir kazanç yükselticisini kullandım. Karşılaştırmayı kolaylaştırmak için, gürültüyü her kombinasyon için farklı kazanç ayarlarında çizdim Bu, hassas bir ADC'ye harici bir amplifikatör eklemenin performansı nasıl etkilediğine ve kazanımla performansın nasıl değiştiğine dair çeşitli bilgiler sağlar. Şekil 6 bu örneği göstermektedir.
Şekil 6: Farklı amplifikatörlerin gürültü performansını ve kazanca dayalı ADS1261 ile olan ilişkisini karşılaştırın
Bu örneğin ve Şekil 6'daki çizelgenin kilit noktaları nelerdir? Daha fazla bilgi için Bölüm 7 "Amplifikatör Gürültüsünün Delta-Sigma ADC'ler Üzerindeki Etkisi" bölümünü okuyun.
8. Sisteme giren referans gürültü miktarı nasıl hesaplanır?
Referans gürültüsünün en ilginç özelliklerinden biri, kullandığınız ADC FSR'nin boyutuna göre doğrusal olarak değişmesidir: eğer giriş sinyali çok küçükse, çok fazla referans gürültü gözlemlenmeyecektir - bu nedenle referans için daha büyük gürültü kullanılabilir. Veya, giriş sinyali orta ölçekten daha büyükse, referans gürültünün baskın olması beklenebilir. Bu durumda, ADC gürültüsü ile referans gürültüsünün karşılaştırılabilir olduğundan daima emin olun. Şekil 7, FSR kullanımının bir fonksiyonu olarak referans gürültüsünü, ADC gürültüsünü ve toplam gürültüyü niteliksel olarak çizer.
Şekil 7: FSR kullanımının bir fonksiyonu olarak referans gürültü, ADC gürültüsü ve toplam gürültü
Bu grafikteki kilit noktalar - A, B ve C ne anlama geliyor? Giriş sinyalini değiştirmek ve sistem kazancını değiştirmek referans gürültüsünü nasıl etkiler? Bölüm 8'de bu soruların cevaplarını bulun
