信号调理和信号转换的系统设计方法及实例

等于运算放大器的总噪声加上ADC的噪声。


第5步：找到最佳放大器并设计增益模块

知道了输入信号带宽后，运算放大器选型的第一步是选择一个具有合理的增益带宽积(GBWP)的运算放大器（GBWP），并且该放大器可以最小的直流和交流误差处理该信号。为得到最佳的增益带宽积，需要知道信号带宽、噪声增益以及增益误差。下文给出这些术语的定义。一般而言，若想保持增益误差小于0.1%，推荐选用增益带宽比输入信号带宽大100倍的放大器。另外，我们需要一个可快速建立且驱动能力良好的放大器。注意，我们的噪声预算要求运算放大器输入端的总噪声低于40.8 nV/rt-Hz，而ADC规定的指标为7.9-nV/rt-Hz。总结运算放大器的查找条件如下：UGBW>1MHz、5-V单电源、良好的电压噪声、电流噪声、THD特性、低直流误差（不降低ADC性能）。

搜索ADC时采用相似的查找方法，本例我们选出AD8641。AD8641为低功耗、精密JFET输入放大器，具有极低的输入偏置电流和轨到轨输出特性，可在5 V至26 V电源下工作。相关数据在下表中列出。我们可采用表中的元件值对运算放大器进行同相配置。

所有有源和无源元件都各自产生噪声，因此选择不降低性能的元件尤其重要。例如，购买一个低噪声运算放大器并在其周围放置大电阻就是一种浪费。牢记一个1 kohm的电阻器可产生4 nV的噪声。

图3 完整的解决方案

表1 图3所示的完整解决方案的元件值

图5 图3所示电路的带宽模拟

如前所述，可考虑在ADC和该增益模块之间使用一个RC滤波器，这样应该有助于缩小带宽并优化SNR。

第6步：根据设计目标检查解决方案总噪声

充分了解所设计电路中的各种误差源是极其重要的。为了获得最佳SNR，我们需要写出前述方案的总噪声方程。方程如公式1：

我们可算出运算放大器输入端的总噪声，并确保其低于41.6 nV/rtHz，一如我们所预期的那样。方程如公式2：

为了在整个带宽上对总噪声进行积分，我们可看到在滤波器带宽上的ADC输入端的总噪声是3.05μV，低于设计所需的4.16μV。由于AD8641的转折频率低于100 Hz，故此例中的低频噪声（1/f）可忽略不计。程如公式3：

保持良好的信噪比需要关注信号路径中每一处细节的噪声，并有良好的PCB布局。避免在任何ADC下方布设数字线路，否则会将噪声耦合至芯片管芯，除非在ADC下方铺一个接地层用作屏蔽。诸如CNV或时钟之类的快速开关信号不应靠近模拟信号路径。应避免数字信号与模拟信号交叠。
公式1
公式2
公式3

第7步：运行模拟并验证

刚开始验证电路设计时，使用Pspice宏模型（可从ADI网站下载）比较合适。快速模拟显示出我们为解决方案所设计的信号带宽。图5显示了位于AD7685输入端可选RC滤波器之前和之后的响应。

如图6所示，10-kHz带宽上的总输出噪声接近31μV rms，略低于41μV rms的设计目标。在量产之前需要制作原型并验证整套解决方案。

图6 图3所示电路的噪声响应模拟

总结

如今许多设计要求低功耗、低成本，而许多系统既负担不起最昂贵的器件，也无法承受低噪声器件的更高功耗。为了从信号调理电路得到最低的本底噪声和最佳性能，设计者必须了解元件级别的噪声源。保持良好的信噪比需要关注信号路径每一处细节的噪声。通过遵循以上步骤，便可成功调理小型模拟信号，并使用超高分辨率ADC将其转换。