利用高精密模拟数字转换器评估放大器的噪声性能

作者:SZ OEM, Shen Jun

典型的信号采集链路会包含放大器,ADC 这些核心部件,根据实际的需求可能会有模拟开关一类的实现多路信号采样。通常放大器的噪声会有针对不同放大拓扑结构的计算方法,由噪声密度在等效带宽内积分而成,然后使用TINA-TI这种仿真工具实现噪声的仿真与验证。通常在高精密系统里面,噪声是微弱的,比如下面的一个典型的放大电路,TINA-TI的仿真结果是噪声为300uVrms,  示波器对于这样的噪声测量是无能为力的。本文使用TI高性能的ADC的评估板, 像ADS127L01,结合Matlab的计算,来对放大器的噪声进行一个评估。

图(1)测试电路与仿真噪声

通过高精密的ADC去采集运放的输出噪声,可以利用几个表征ADC噪声性能的方法,STDEV,直方图和快速傅立叶变换。STDEV就是离散数据的噪声有效值,FFT通过累加各频率的分量,也可以计算出噪声的有效值,直方图用于观察样本的分布情况。运放的噪声和ADC的噪声是相对独立的,可以通过噪声均方根的方式叠加。这样,就将运放噪声的有效值与评价ADC噪声性能的方法联系起来了。

由上式可以看出,要用ADC评价放大器的噪声,需要测量两组数据,一组是ADC本身的噪声,一组是连接上放大器的噪声。我们用ADS127L01的评估板采集两组数据,然后分别使用matlab函数求解绘制STDEV, 直方图和执行快速傅立叶变换。下面来看一个具体使用到的matlab函数:

Avg = mean(num); % 求解样本NUM中的平均值

Std = std(num); % 求解样本NUM的STDEV,就是RMS值

hist(num,20); % 将样本NUM的分布按照直方图绘出

y = fft(num,32768,1); % 对样本NUM进行FFT

y1 = abs(y) / 16384; % 求解频谱分量的幅值

power = y1.^2 * 0.5; % 求解频谱分量的功率

TotalN = sqrt(***(power)); % 将噪声频谱累加

 图2 为仅ADC噪声分析,左上角为ADS127L01评估板采样的原始样本,右下角为对样本做FFT后对各噪声分量的累加。通过Matlab分析样本,得到样本的STDEV 为28.5uVrms。FFT分析做累加,得到了同样的结果,噪声有效值为28.5uV。

图(2)ADC噪声分析

图(3)为使用ADS127L01评估板采集图(1)所示电路的噪声分析,同样左上角为原始样本,右下角为对样本做FFT后对各噪声分量的累加。通过Matlab分析样本,得到样本的STDEV 为263uVrms。FFT分析做累加,得到了同样的结果,噪声有效值为263uV。

图(3)ADC+放大器噪声分析

根据噪声的叠加原理,图(1)所示放大电路实际测量噪声为261uVrms,仿真的结果为300uVrms。

本文通过一个实际的例子演示了如何使用高精密ADC评估放大器的噪声性能,实验结果与仿真结果一致,并且提供了典型的matlab函数,利用STDEV, 直方图,FFT对ADC采集后的数据,对放大器进行噪声分析是一种直观且有效的方式。