深度刨析基准电压噪声为什么重要原因有哪些

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从航空航天和防务、天然气勘探到制药和医疗设备制造，这些行业越来越需要能够实现高于24位分辨率的超高精度测量。例如，制药行业使用高精度实验室天平，该天平在2.1g满量程范围内提供0.0001mg分辨率，所以需要使用分辨率高于24位的模数转换器(ADC)。校准和测试这些高精度系统对仪器仪表行业来说是一大挑战，要求提供分辨率达到25位以上、测量精度至少7.5数字位的测试设备。

为了实现这种高分辨率，需要使用低噪声信号链。图1显示噪声与有效位数(ENOB)和信噪比(SNR)之间的关系。注意，噪声是基于基准电压(VREF) =5V，ADC输入设置为满量程范围来计算的。举例来讲，要实现25位分辨率，或者152dB动态范围，可允许的最大系统噪声为0.2437µVrms。

图1.噪声与ENOB和SNR。

基准电压设置输入模拟信号的限值，ADC可以解析该信号。公式1是ADC的理想转换函数，其中输出数字码（小数形式）通过模拟输入信号VIN、基准电压VREF和ADC位数N计算得出。

一般来说，ADC数据手册中的分辨率是基于输入短路技术得出，其中ADC输入连接至GND，或者ADC差分输入连接至共源极。ADC输入短路技术有助于确定ADC分辨率的绝对限值特性，方法是忽略ADC输入源噪声，消除VREF噪声的影响。结果确实如此，因为VIN设置为0V，使得VIN/VREF比也等于0V。

为了研究基准电压噪声对整体系统噪声的影响，图2显示了总系统噪声(rms)和ADC输入直流源电压之间的关系。实施本次测试期间，我们使用了AD7177-2 32位ADC，其VREF输入连接至LTC6655-5(5V)，ADC输入则连接至低噪声直流源。ADC输出数据速率设置为10kSPS。注意，在整个ADC输入电压范围内，ADC噪声保持恒定(35nV/√Hz)，但ADC直流输入源噪声增大(≤6nV/√Hz)，与基准电压噪声(96nV/√Hz)相比，仍保持较低水平。如图2所示，总体噪声与ADC直流输入电压成正比。这是因为VIN(5V)，ADC输入则连接至低噪声直流源。ADC输出数据速率设置为10kSPS。注意，在整个ADC输入电压范围内，ADC噪声保持恒定(35nV/√Hz)，但ADC直流输入源噪声增大(≤6nV/√Hz)，与基准电压噪声(96nV/√Hz)相比，仍保持较低水平。如图2所示，总体噪声与ADC直流输入电压成正比。这是因为VIN/VREF比随之增大，所以在ADC使用满量程输入时，VREF噪声主导整体系统噪声。信号链中各组件的噪声会以和方根(RSS)的方式叠加，导致曲线形状如图2所示。

图2.ADC VIN与rms系统噪声之间的关系。VREF设置为LTC6655-5。

为了实现25位或以上的高测量分辨率，即使是市面上最好的独立基准电压（具备低噪声规格）也需要获取一些帮助来衰减其噪声。添加外部电路（例如滤波器）可以帮助衰减噪声，以达到所需的ADC动态范围。

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