5 电压基准噪声对无噪声分辨率有何影响

虽然 ENOB 能很好地体现 ADC 输出的分辨率，但它不考虑直流性能。若要了解从直流输入到 ADC 的噪声对分辨率的影响，请考虑求出电路的无噪声分辨率。使用方程式 4，您可以通过观察 ADC 数字输出的最低有效位 (LSB) 数量中的代码扩展来计算无噪声分辨率，同时测量直流信号：

为了突出显示基准噪声对系统精度性能的影响，我们使用 REF70（具有 0.23ppm_p-p 闪烁噪声）和 REF50（具有 3ppm_p-p 闪烁噪声）对给定信号链进行了直流代码扩展测试。REF50 和 REF70 都是与高精度 ADC 搭配使用的高精度电压基准，并具有不同的直流特性。不过，在本练习中，目标完全是比较这些器件在信号链电路中的噪声性能。

本设计使用电池实现稳定的直流电源，其电压电平接近 ADS8900B 20 位 SAR ADC 的满标量程范围，该 ADC 以 20kSPS 的速率捕获数据。使用增益 = 1 的 OPA2320 来驱动 ADS8900B 输入。该 ADC 集成了基准缓冲器驱动器；因此，不需要可选的基准缓冲器。在电压基准的输出端放置一个简单的电阻电容低通滤波器可进一步降低电压基准的噪声。图 3 展示了用于这些测试的设置。

图 3 用于以下无噪声分辨率测试的电路。

除电压基准之外的信号链元件也有闪烁噪声，这将是最终代码扩展的一部分。由于信号链仅在使用不同的基准时保持不变，因此只有电压基准噪声会对性能数据产生影响。

高精度系统采用数据处理技术来提高精度和整体分辨率。在本实验中，我们通过将输出乘以 16，将 ADS8900B 中的 20 位原始数据转换为 24 位长度。不同的有限脉冲响应 (FIR) 滤波器处理转换后的 24 位数据。如果输入值发生变化，FIR 滤波器易于实现且稳定得更快。输出数据速率保持在 20kSPS，但延迟由滤波器特性定义。

在 24 位级别，REF50 和 REF70 的噪声（以及精度）几乎相似，总噪声主要由信号链及其宽带宽噪声决定。平均代码值的差异是由基准电压差异造成的，这是一个精度规格，您可以通过校准来消除。这些结果如图 4 和图 5 所示。

图 4 REF50 噪声 = 3ppm_p-p 时的结果。

图 5 REF70 噪声 = 0.23ppm_p-p 时的结果。

我们使用倍频程工具通过三种不同的数字滤波器对原始数据进行后处理：

• 1024 抽头移动平均滤波器。
• 801 抽头 17Hz 低通滤波器。
• 455 抽头 36Hz 低通滤波器。

图 6 展示了这些滤波器的滤波器响应。

图 6 数字滤波器响应。

图 7、图 8 和图 9 说明了数字滤波器对代码扩展的影响。

图 7 1024 抽头滤波器直方图。

图 8 455 抽头滤波器直方图。

图 9 801 抽头滤波器直方图。

通过方程式 4，您可以轻松地将 REF50 和 REF70 与每个滤波器配置文件对 ADC 分辨率的影响进行比较。表 1 总结了这些测试的结果。

这种比较表明，在精度极高的应用中，REF70 在计算无噪声分辨率时的性能优于 REF50，这主要是由于该器件在闪烁噪声水平方面的差异所致。使用 REF70 时的代码扩展减少表明，其超低噪声可以在高精度应用中提供近 2 位分辨率的优势。此外，我们还可以看到，使用低噪声基准允许使用快速 455 抽头滤波器，同时仍能保持高无噪声分辨率。低电压基准闪烁噪声将导致更低的代码扩展，从而实现更高的无噪声分辨率。与 ENOB 一样，在为低无噪声分辨率设计信号链时，噪声也是一个重要的考虑因素。