AN-1264 应用笔记 One Technology Way • P.O. 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AD8421的电压噪声密度 AD8475是一款差分ADC驱动器，配置为增益0.4，如图1中 放大器噪声通常由1/f噪声和宽带噪声组成。随着频率的下 的最右边所示。它可执行单端至差分的转换，同时提供 降，1/f噪声表现为频谱密度的上升。此噪声通常对低频产 VOCM引脚，允许用户将输出信号转换为对ADC而言的最 生影响。低转折频率的放大器在接近直流的应用中噪声极 佳电平。本电路中，输出共模电平是用于ADC的一半基准 低。相反，宽带噪声在其余频段内的频谱密度不变。计算 电压。这样可以确保输入ADC的信号具有最大的动态范 应用中的总噪声贡献时，必须考虑工作带宽。对于AD8421 围。考虑到上一级的增益，则信号调理电路的输出增益为 而言，其转折频率为10 Hz。 0.2。在此衰减系数下，当ADC使用2.5 V基准电压时，可获 得±10 V可用输入范围。 从图3中可以看出，噪声还受增益的影响。仪表放大器的 输入和输出中都存在噪声分量。增益增加时，输出噪声分 量以增益为系数缩小，使折合到输入的总噪声降低。 Rev. 0 | Page 3 of 8 AN-1264 其他因素导致的噪声分量各自不相关。因此，电路的输出 然后，便可求解精密信号调理电路的预期总RSS噪声。 噪声可通过计算其平方和的平方根(称为RSS)求得(更多信息 噪声PSC 可参考技术文章MS-2066：传感器电路的低噪声信号调理)。 由于对电路的直流性能进行评估，因此来自放大器的噪声 贡献主要受1/f噪声影响。ADC还可消除宽带噪声，因此不 计入计算中。根据0.1 Hz至10 Hz噪声规格，对于每个放大器 而言，折合到输出(RTO)的噪声增量见表1。本节中的所有 表1. ADC驱动器精密信号调理电路的总预期噪声 器件 AD8421 AD8510 AD8475 1 典型噪声 (µV p-p) 2 2.4 2.5 增益指放大器输出到ADC输入的增益。 增益1 0.2 0.4 1 噪声RTO (µV p-p) 0.4 0.96 2.5 将信号调理电路与低噪声模数转换器对接可测量此噪声。 AD7195是一款24位Σ-Δ型ADC，集成内部PGA。通过表征 2.5 V基准电压下的ADC，可以观察到10 Hz输出数据速率 (ODR)以及±19.5 mV输入电压范围下的噪声分布为63 nV p-p (内部PGA增益设为128)。由于该数值比计算得到的2.7 µV p-p 前端噪声幅度低两个数量级，此噪声贡献可以忽略不计。 这一假设同样适用于实际设置中精密信号调理电路的噪声 验证。 图4显示单芯片评估板上信号调理电路与AD7195的对接。 为了测量系统噪声，将输入短路至地。由于噪声是随机噪 声，因此测量其峰峰值和均方根值；后者等于高斯分布的 标准差。评估板软件可收集这些测量的结果。 11795-004 分析均假定AD8421的增益状态为1。 噪声PSC 图4. 噪声评估设置 Rev. 0 | Page 4 of 8 11795-005 AN-1264 图5. 10 Hz ODR时的噪声结果(内部PGA增益设为128) 噪声测量结果如图5所示。图中，ADC的内部PGA增益设 灵敏度 为128，ODR为10 Hz。图中可以观察到2.6 µV p-p的噪声测 噪声分析可用来确定系统的灵敏度。若在内部PGA增益为 量结果与2.7 µV p-p的计算值相关。考虑到估算数值时使用 的是典型规格数据，因此可以预期获得这样的性能。 1的情况下使用，则ADC噪声会影响系统噪声。预期噪声 值如表2所示。 表2. 不同采样速率下的预期噪声 总系统性能 性能。由于目标频段为0.1 Hz至10 Hz，因此需注意若要使计 输出数据 速率(Hz) 10 50 60 算得到的噪声值有效，采集时间应当为10秒。 1 系统灵敏度和有效分辨率由电路的内部噪声决定。使用精 密信号调理电路驱动AD7195时，噪声计算可用来预测系统 可测量极微弱信号的系统也应当能在有较大干扰信号的情 况下这样做，结果才有效。共模抑制可作为衡量这种能力 的品质因数，并且主要由电路前端部分决定。 前端 (µV p-p) 2.7 2.7 2.7 模数转换 器(µV p-p) 1.2 2.7 2.7 预期噪声1 (µV p-p) 3.0 3.8 3.8 10 Hz至50 Hz以及60 Hz范围内的宽带噪声可以忽略不计， 并且未纳入计算。 以10 Hz ODR为例，使用相应的配置，在实际设置中测量噪 声。如图6所示，3.0 µV p-p读数与计算值相关。 Rev. 0 | Page 5 of 8 11795-006 AN-1264 图6. 10 Hz ODR时的噪声结果(内部PGA增益设为1) 采用10 Hz ODR时获得的数据，可以将最大计算噪声值折合 现在可以计算系统灵敏度了： 到系统的输入端，以得到其大致的灵敏度，即系统所能检 − 测的最小电压变化。由表2可知： − = − 预期输出噪声 增益 输入范围为±125 mV时，系统灵敏度为160 nV p-p。它演示 了系统增益的增加如何使灵敏度增加。 − 无噪声分辨率 − 然后，就可以预测系统将能正确解析其输入端的15 µV电压 下列公式可以确定采用AD7195所能达到的无噪声分辨率： 变化。由于在增益1下使用AD8421，此结果适用于±12.5 V输 入范围。 无噪声分辨率 由于ADC使用了双极性输入，因此满量程范围为基准电压 显然，执行这些步骤后，灵敏度随着增益的增加而增加。 的两倍。将上式代入前面的公式可得： 考虑AD8421配置为增益100的情况。在该增益下，输入范 围为±125 mV，信号调理电路的总增益为20。增益为100时 无噪声分辨率 的AD8421峰峰值噪声为70 nV p-p。将此数据用于信号调理 无噪声分辨率也可表示为有效位数(ENOB)，当AD8421配 电路的噪声计算中，则有： 置为单位增益时，ENOB为20.7位。当配置为增益100时， 噪声PSC 分辨率几乎不变，为20.6位。 噪声PSC 不同的采样速率和增益下的分析方法相同，采用该方法同 将来自ADC的1.2 µV p-p峰峰值噪声纳入计算中，则总预期 样可获得系统性能的估计值。这些测量结果可让人们了解 系统噪声为3.2 µV p-p。 该电路在所需应用中的性能。 Rev. 0 | Page 6 of 8 AN-1264 共模抑制 以衰减。这是因为其数字陷波滤波器可配置为线路频率等 有关灵敏度和分辨率的讨论可以用来表示系统针对内部噪 于50 Hz和60 Hz时下降。使用AD7195的Sinc4滤波器和10 Hz 声的性能。共模抑制适合用作系统针对外部噪声的性能品 ODR，可以保证具有高于100 dB的NMRR。40 µV p-p共模噪 质因数。 声贡献将被衰减至1 nV以下，从而电路有效抑制了线路噪声。 与电路的前端部分相同，电路的共模抑制主要由AD8421确 结论 定。CMRR表示差分增益与共模增益之比。它还可以通过 精密信号调理电路可让用户高效提取目标信号，哪怕信号 数学方式表示为： 位于高噪声环境中。性能参数(如灵敏度、有效分辨率和稳 定的环境噪声抵抗力)可以通过考虑内部噪声和共模抑制估 算。这些指标最终决定系统的性能，并协助用户设计工业应 其中： 用。在接口处使用不同的模数转换器还可进一步优化系统。 Adiff表示差分增益。 VCM表示放大器输入端的共模电压。 参考文献 VOUT表示共模电压对输出电压的贡献。 AD7195 Data Sheet. 2010. Analog Devices, Inc. 假设不需要的共模电压在两个输入端均含有10 V p-p信号， AD8421 Data Sheet. 2012. Analog Devices, Inc. 并且增益为1时，AD8421的最小CMRR为94 dB。利用这些数 AD8475 Data Sheet. 2011. Analog Devices, Inc. 据便可求解AD7195输入端的环境噪声贡献。 AD8510 Data Sheet. 2009. Analog Devices, Inc. Kitchin, Charles and Lew Counts. A Designer’s Guide to Instrumentation Amplifiers (3rd ed). Analog Devices, Inc. 可以观察到200 µV p-p输出电压，这是由于AD8421输出端 的共模噪声造成的。电路的衰减功能使其下降至40 µV p-p (AD7195的输入端)。 将其与增益配置为100的AD8421进行比较，则参数相同的 情况下，ADC输入端的共模噪声依然处于40 µV p-p的水平， 但灵敏度更高。它演示了增益和CMRR的增加如何有助于 提升相对外部噪声的灵敏度。 Moghimi, Reza. 2010. Low Noise Signal Conditioning for SensorBased Circuits. MS-2066 Technical Article. Analog Devices, Inc. Motchenbacher, C. D. and F. C. Fitchen. 1973. Low-Noise Electronic Design. New York: Wiley. National Instruments. 2010. Digital Multimeter Measurement Fundamentals. Available online from National Instruments. Ott, Henry. 1988. Noise Reduction Techniques in Electronic Systems (2nd ed). Wiley. 此共模噪声是电源线上最常见的噪声源，而经过前端CMRR 大幅抑制后可进一步通过AD7195的串模抑制比(NMRR)加 Rev. 0 | Page 7 of 8 AN-1264 注释 ©2013 Analog Devices, Inc. All rights reserved. Trademarks and registered trademarks are the property of their respective owners. AN11795sc-0-12/13(0) Rev. 0 | Page 8 of 8