分析FDA驱动ADC性能 - 第2部分
文章：Michael Steffes
使用THS4521 FDA的低失真和噪声精度设计优化的德州仪器DAQ，以驱动ADS8881 ADC。
结合FDA和18位SAR ADC，预测信噪比
为了说明FDA噪声分析，请考虑使用THS4521 FDA从德州仪器[5]的最低失真和噪声精度设计优化的相对简单的18位，1MSPS数据采集块（DAQ），以驱动ADS8881 ADC（图3）。该电路使用1kΩ电阻和单极电容器（RC）级间滤波器具有一个阶段的简单增益。ADC的要求通常决定了该RC滤波器的选择。
图3：参考ADC驱动器的噪声分析电路[5]。
此示例FDA输出和ADC输入之间的RC滤波器设置了NPB：
1.57（1 /（2π10 * 20nf））= 1.22MHz
请注意，差动C在每边都加倍设置极。
在参考[5]中，测试到ADC的输出摆动是8.9Vpp (3.15Vrms)。为了通过NPB计算积分噪声，您需要发展公式1中的每一项。
从表2中拉动THS4521的噪声术语，并且在等式4中使用NPB = 1.22MHz = F2提供了在这种情况下为FDA噪声术语占1 / F的低频噪声效应所需的非常轻微的调整。表3总结了使用等式4的FDA输入噪声调整。
表3:本设计的调整点输入噪声术语。
在此示例中，NPB足够高，电压噪声过滤器主导集成噪声，而当前噪声会变得非常轻微。重要的是包含这种效果，因为噪声术语和NPB的不同组合可能包括更高的1 / f贡献。例如，在图3中的THS4521之后的RC中计算表3在RC中为400kHz NPB = F2提供了在等式1中使用的更新的等效点噪声术语。这在表4中总结。
表4:公式4中使用了400kHz的替代例子。
在这里，您将在等式1中看到在所需的平坦点噪声中进行更多调整，以占FDA输入噪声术语中的1 / F效果。在这两种情况下，等式4使用了0.1Hz的起始频率（F1）。
使用调整后在表3中,每一项在方程1中计算输出spot-noise电压贡献表5所示(根号下的术语在方程1)。表5显示了两个分别resistor-noise条款第一,然后结合在方程1。请注意，FDA的电压噪声贡献是主要的-降低电阻值将对减少总输出噪声的设计几乎没有影响。
表5:图3的单独和组合的输出差分噪声术语。
使用FDA输出的14.04nV/√Hz差分斑点噪声和级间滤波器的1.22MHz NPB，可以计算ADC输入引脚的均方根噪声和信噪比。通常，级间滤波器中的电阻足够低，只会增加可以忽略不计的总噪声;你可以忽略它们对总噪音的贡献。
RC滤波器输出的RMS噪声将是这个点噪声电压乘以√NBP。表6显示了这些计算的结果。
一旦计算了集成噪声（在这种情况下为15.5μVRMS），通常可以使用6倍的波峰因数在RMS噪声上计算VPP噪声（在这种情况下为93μVPP）。使用预期的最大RMS信号电平（在这种情况下为3.15VRMS）和传递的RMS噪声，等式5将SNR计算到由FDA-Plus-RC滤波器级引起的ADC输入。
表6:对ADC输入产生集成噪声和信噪比。
参考[5]中的示例设计使用了4.5V参考(9Vpp绝对最大差分输入范围)，并在FDA输出中采用了8.9Vpp最大测试。将这个106.15dB的估计信噪比传递到ADC输入引脚，公式6计算出与报告的ADC信噪比相结合的信噪比。将参考[5]和[6]中使用的10kHz输入频率下的典型ADS8881 ADC报告的99.5dB，并将图1中THS4521 FDA接口的106.15dB放入方程6，得到组合SNR = 98.65dB。
表7显示了来自参考[5]的组合测量。使用实际的4.5V参考列，FDA Plus RC滤波器加ADC显示98.73dB的组合结果，非常与预期的98.65dB结果相匹配。
表7：由参考[5]的测量结果（表6在该文件中）。
在开发了这种方法之后，现在很容易尝试不同的FDA解决方案，并快速观察其对最终信噪比的影响。参照表2中可用的FDA选择，THS4551 FDA是THS4521的低噪声升级，具有类似的功率和速度。使用THS4551噪声规格，可以计算相同配置的总信噪比值。表8比较了中间结果和最终的信噪比降低，显示了使用这种低输入电压-噪声FDA后总信噪比的改善。
表8：经测试的THS4521 FDA解决方案与改进的THS4551 FDA选项之间的噪声术语比较。
在表8中列出的两种情况中，当前噪声对总输出噪声的贡献很小。对于THS4521, FDA电压噪声占主导地位，所以你可以期望通过降低电阻值几乎没有改善。使用完全相同的配置与THS4551将降低信噪比损失从0.77dB到仅0.44dB。然而，由于第二种解决方案中的电阻噪声项占主导地位，降低这些值将进一步提高信噪比，但代价是反馈网络中更多的功率。在THS4551解决方案中使用499Ω R值将改变与表9中所示的比较——组合信噪比又提高了0.13dB。
表9：使用THS4551添加499Ω电阻值解决方案到表8。