ADC 电源的噪声要求
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在之前的文章，我们已经了解了 ADC 的电源抑制比 (PSRR) 和前级功率级的 PSRR 要求，以确保噪声最小。在进一步分析电源之前，我们需要了解电源噪声对 ADC 的影响。
在本文中，我们将研究 ADC 电源的热噪声和闪烁噪声要求，并得出其最低要求，以确保出色的信噪比 (SNR)。
给定 ADC 的 SNR，我们可以使用公式 1 计算均方根 (RMS) 输入参考噪声：
在哪里：
V Noise是输入参考电压噪声
SNR 是以 dB 为单位的信噪比
V Fullscale是所考虑的 ADC 的满量程
噪声的来源并不像它所指的带宽那么重要，因此考虑到 ADC 模拟带宽 (ABW) 可以建模为一阶巴特沃斯滤波器，噪声功率带宽 (NPBW) 可以表示为等式2：
请注意，这种方法虽然从完整模拟带宽的角度来看是准确的，但从使用 ADC 来看是不正确的。使用 ADC 时，您将始终在其中一个 Nyquist 频带中运行，通常是从 DC 到开关频率的一半 ( ) 的第一个 Nyquist 频带，因此噪声将始终折叠在带宽频带中。
然后我们可以使用公式 3 计算噪声密度：
其中 F S是 ADC 时钟
举个例子，让我们从一个理想的 ADC 开始，噪声只是由量化引起的。SNR 可以表示为公式 4。
其中 n 是位数。
将自己限制在量化噪声范围内，我们可以为理想的 ADC 电源制定更坏情况的要求，并为我们提供参考。
表 1 反映了使用公式 1、3 和 4 计算各种理想 ADC 的 SNR 和输入参考输入电压噪声密度。
|
V满量程= 2Vpp |
给定 F S /2 带宽的输入参考噪声密度 |
|||||||||
|
# 位 |
信噪比 |
1kHz (nV/√Hz) |
10kHz (nV/√Hz) |
100kHz (nV/√Hz) |
500kHz (nV/√Hz) |
1MHz (nV/√Hz) |
5MHz (nV/√Hz) |
10MHz (nV/√Hz) |
50MHz (nV/√Hz) |
100MHz (nV/√Hz) |
|
8 |
50 |
|
|
|
4472.1 |
3162.3 |
1414.2 |
1000.0 |
447.2 |
316.2 |
|
10 |
62.06 |
|
7888.6 |
2494.6 |
1115.6 |
788.9 |
352.8 |
249.5 |
111.6 |
78.9 |
|
12 |
74.12 |
6223.0 |
1967.9 |
622.3 |
278.3 |
196.8 |
88.0 |
62.2 |
27.8 |
19.7 |
|
14 |
86.18 |
1552.4 |
490.9 |
155.2 |
69.4 |
49.1 |
22.0 |
15.5 |
6.9 |
4.9 |
|
16 |
98.24 |
387.3 |
122.5 |
38.7 |
17.3 |
12.2 |
5.5 |
3.9 |
1.7 |
1.2 |
|
18 |
110.3 |
96.6 |
30.5 |
9.7 |
4.3 |
3.1 |
|
|
|
|
|
20 |
122.36 |
24.1 |
7.6 |
2.41 |
|
|
|
|
|
|
|
22 |
134.42 |
6.0 |
1.9 |
|
|
|
|
|
|
|
表 1：第一奈奎斯特频带中理想 ADC 的等效输入参考电压噪声密度
在表 1 的左侧，我们在第一列中考虑了理想 ADC 的位数。在第 2列中，我们得到了理想 ADC 的 SNR。这直接来自等式 4。随后的每一列对应于第 2 行中以奈奎斯特频率为参考的 ADC 等效输入噪声。
有了电压噪声密度，我们就可以计算电源对信号链信号贡献的噪声。
再次以ADC3444为例，我们之前确定模拟电源是最敏感的，最小的最坏情况 PSRR 为 16dB。
下一步是确定允许的电源噪声，首先使用具有 0dB PSRR 的 ADC 来计算最坏情况。在本节中，让我们考虑几个 LDO，噪声分别为 100µV RMS、50 µV RMS、20 µV RMS、10 µV RMS和 5 µV RMS。这些数字大约对应于没有噪声规格的 TI DC-DC 转换器或 LDO (100 µV RMS );TPS737 LDO(50µV RMS);TPS7A 8101;_ TPS74x LDO 系列(20µV RMS);TPS717 LDO (10 µV RMS ) 和TPS7A83、LP5907、TPS7A47 LDO(5 µV RMS)。
噪声(或在本例中为电压噪声密度)以 RMS 方式添加，如公式 5 所示。
在 PSRR 为 0dB 的情况下，将电源的噪声积分带宽设置为 10Hz 至 100kHz 时，表 1 可以重写为表 2：。
V满量程= 2Vpp噪声密度选择电源噪声的总噪声
|
V满量程= 2Vpp |
噪声密度 |
选择电源噪声的总噪声 |
||||
|
# 位 |
50MHz (nV/√Hz) |
5µV RMS (nV/√Hz) |
10µV有效值(nV/√Hz) |
20µV RMS (nV/√Hz) |
50µV RMS (nV/√Hz) |
100µV有效值(nV/√Hz) |
|
8 |
316.2 |
316.6 |
317.8 |
322.5 |
353.6 |
447.2 |
|
10 |
78.9 |
80.5 |
85.0 |
101.1 |
176.7 |
325.9 |
|
12 |
19.7 |
25.2 |
37.2 |
66.2 |
159.3 |
316.9 |
|
14 |
4.9 |
16.6 |
32.0 |
63.4 |
158.2 |
316.3 |
|
16 |
1.2 |
15.9 |
31.6 |
63.3 |
158.1 |
316.2 |
表 2：50MHz 奈奎斯特带宽的组合 ADC 和电源噪声
在表 2 中，我们从表 1 中选择了 50MHz 奈奎斯特频段，如第 2 列所示，并保留第一列作为 ADC 位数。现在，每个附加列都包含第 2 行中提到的 ADC 和噪声电源的结果。
在表 3 中，我们更进一步，将表 2 中的结果表示回一个 SNR 数字，其中包括 ADC 噪声和电源噪声。
现在我们可以轻松地将组合 SNR 转换为标称 SNR。对于理想的 8 位 ADC，50µV RMS LDO 就足够了。TPS7A81 或 TPS717 LDO 将是这里的完美搭配。请记住，上面提供的噪声数只是输出电压的一个系数，可以表示为 µV RMS /V OUT。因此，对于 3.3V 的输出电压，需要更低噪声的 LDO。
高位数 ADC 对电源的要求更加严格。
|
满量程 = 2Vpp |
噪声密度 |
选择电源噪声的总噪声 |
|
|
||
|
# 位 |
50MHz 基带的信噪比 (dB) |
5µV有效值 （D b） |
10µV有效值 （D b） |
20µV有效值 （D b） |
50µV有效值 （D b） |
100µV有效值 （D b） |
|
8 |
50.0 |
49.99 |
49.96 |
49.83 |
49.03 |
46.99 |
|
10 |
62.1 |
61.9 |
61.4 |
59.9 |
55.1 |
49.7 |
|
12 |
74.1 |
72.0 |
68.6 |
63.6 |
56.0 |
50.0 |
|
14 |
86.2 |
75.6 |
69.9 |
64.0 |
56.0 |
50.0 |
|
16 |
98.2 |
76.0 |
70.0 |
64.0 |
56.0 |
50.0 |
表 3：包含 50MHz 基带电源噪声的等效 ADC SNR
对我们来说幸运的是，ADC 也有一些 PSR，需要在选择组件时加以考虑。
ADC3444 AVDD 有两条 PSR 曲线，一条在 DC附近，PSR 高，一条在信号音附近，要低得多。对于ADC3444的 AVDD ，电源噪声有两种进入模式以降低 ADC SNR。这两种模式的主要术语是信号音周围的噪声，因为它将是被 28dB 标称 PSR 衰减的电源噪声的两倍。
DC 附近的项没有任何乘法系数，PSR 为 50dB。
这将我们引向表 4a 和 4b：
ADC 输入参考噪声密度20.2 nV/rtHz(73.9dB 信噪比)
ADC 最差情况 PSRR (dB)50分贝
电源噪音组合噪声 (nV/√Hz)综合信噪比 (dBFS)
5µV有效值20.273.9
10µV有效值20.173.9
20µV有效值20.273.9
50µV有效值20.273.9
100µV有效值20.273.9
表 4a：电源在 DC 周围增加的噪声
ADC 输入参考噪声密度20.2 nV/rtHz(73.9dB 信噪比)
ADC 最差情况 PSRR (dB)28分贝
电源噪音组合噪声 (nV/√Hz)综合信噪比 (dBFS)
5µV有效值20.273.9
10µV有效值20.273.9
20µV有效值20.473.8
50µV有效值21.273.5
100µV有效值23.872.5
表 4b：电源在信号音周围添加的噪声
总而言之，电源闪烁噪声会显着降低 ADC 的性能，因此需要仔细选择 LDO。就ADC3444 而言，总电源噪声不应超过 20µV RMS，以尽量减少对 ADC SNR 规格的影响。
这在此处通过高速流水线转换器进行了演示，但它也适用于所有 ADC、Delta-Sigma 和 SAR 架构。
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