1 定義電源架構中的雜訊和精密度 | 雜訊通常是特定於應用的,但在本文中,雜訊是指源自熱雜訊、1/f 雜訊和低頻振蕩 (最高約100kHz) 的任何不必要的訊號。 |
2 低雜訊和低功耗電壓參考的創新 | 減少電源架構中的雜訊有助於提高類比數位轉換器的解析度和精密度,但會帶來功耗、印刷電路板 (PCB) 尺寸、製造流程和成本方面的設計挑戰。 |
3 精密電池監控的創新 | 擁有矽晶片技術的創造性解決方案,讓設計人員得以將電源架構和電池系統最佳化。 |
ADC 中的雜訊可能會在精確的電壓量測中造成誤差。您必須考量訊號鏈中來自內部及外部來源雜訊的整體影響。總雜訊通常結合了 ADC 熱雜訊、ADC 量化雜訊、放大器雜訊、電壓參考雜訊及電源雜訊。
方程式 1 描述了 ADC 輸入端 (全刻度電壓下) 量測感測器時的總參考雜訊,如圖 1 所示。主要的設計挑戰是將所有雜訊來源最佳化,以實現應用所需的雜訊目標。在方程式 1 中,ADC 的電源抑制比 (PSRR) 降低了電源雜訊,繪製為 1MHz:
由於存在不相關的雜訊來源,因此總雜訊為所有雜訊來源的平方根,這非常有利於最大的雜訊來源。其中一個有雜訊的元件會嚴重扭曲量測結果。例如,如果電壓參考比 ADC 和電源產生更大的雜訊,則降低電壓參考上的雜訊將是降低系統雜訊的最佳方法,如圖 2 和圖 3 所示。此外,ADC 雜訊類型會因解析度而異:量化雜訊對 16 位元 ADC 而言相當重要,但對 24 位元 ADC 而言則可忽略。
電源雜訊是隨機的,出現在所有半導體功率元件和電源拓撲中。本白皮書的重點在低於 100kHz 的訊號,因為高於此頻率的訊號通常可歸因於切換漣波或電磁干擾 (EMI)。您也可以將雜訊進一步區分為低頻雜訊 (0.1Hz 至 10Hz) 和高頻雜訊 (100Hz 至 100kHz),它們各自有不同的要求和設計挑戰,如圖 4 中所示。
低頻雜訊通常指定為 0.1Hz 至 10Hz 之間的峰值對峰值雜訊,這是由半導體元件結合其矽晶特性與設計架構所自然產生。當以高解析度放大電壓軌時,這種低頻雜訊通常在示波器中可見,如圖 5 中所示,通常是精密直流量測中出現誤差的原因。低頻雜訊被視為關鍵規格的 ADC 應用包括電池量測、能源量測、地震量測,甚至是半導體測試量測。
另一種是高頻雜訊,其頻率範圍為 100Hz 至 100kHz,可能包括白雜訊、切換雜訊和時脈抖動,如圖 6 中所示。高頻雜訊源也可能來自環境,透過 EMI 耦合。例如,ADC 可能會因電源雜訊而出現錯誤。來自相同雜訊電源的 EMI 可能會導致時脈抖動增加,如果抖動過多,則會降低訊噪比性能。
減少數位電路中由時脈頻率上升所引起的高頻雜訊變得越來越重要,因為數位電路更容易受到抖動影響。高頻雜訊被視為關鍵規格的 ADC 應用包括電力線品質監控器、數位訊號處理應用和射頻 (RF) 通訊設備。
降低雜訊的其中一種方式是增加系統功率,但系統通常有功率預算,因此必須在有限的功率下最大限度地提高雜訊性能。TI 的低雜訊電壓參考產品組合包括 REF33、REF34 和 REF35 系列等低功耗選項,這些選項以高精密度突破了低功耗 ADC 的功耗和雜訊界限。較低的靜態電流 (IQ) 電壓參考有利於功率預算有限的便攜式或邊緣應用,例如兩線制發射器。
高效率能隙電路和輸出緩衝器的創新改善了電壓參考的功率雜訊比。REF33、REF34 和 REF35 是 TI 低雜訊和低功耗電壓參考產品組合中的主要元件。圖 7 比較了它們的雜訊和功耗,並標示了 REF35 的創新。
低雜訊的一個常見應用是可攜式醫療設備,例如可攜式心電圖機。ADS124S08 系列 24 位元 ADC 的功耗低至 280μA,可最大限度地降低功率預算有限的現場儀器和邊緣設備的功耗。表 1 將 REF35 與內部 ADS124S08 電壓參考進行了比較,並突顯了 IQ 帶來的準確度提升。REF35 的低雜訊和高準確度可改善量化和增益誤差,同時降低系統功率。彈性電壓參考電壓的優勢在於可進一步進行最佳化,使 ADS124S08 的全刻度範圍最大化。
裝置 | REF35 | ADS124S08 內部電壓參考 |
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電壓電平 | 1.25 V 至 5 V | 2.5 V |
低頻雜訊 | 8.5μVPP | 9μVPP |
IQ | 0.65 μA | 280 μA |
REF35 還與 ADS127L11 搭配使用,後者是一款專注於低功耗直流精密度的 ADC。與 REF34 相比,REF35 的電源電流減少到只有十分之一,這使其在低速模式下能與 ADS127L11 更好地搭配。這種搭配使 ADS127L11 能夠在需要高精度的電源品質分析儀系統或需要低功耗的機器振動系統中實現準確度,以平衡解決方案尺寸、解析度與頻寬。