浅谈转换器的噪声!——第一部分

问题:

从模数转换器的角度来看,噪声系数是不是很重要?

RAQ:  Issue 51

答案:

从转换器的角度来看,噪声指数(NF)和信噪比(SNR)是可以互换的。噪声指数让您对噪声密度有很好的理解, 而信噪比是衡量有关频带内总噪声的大小。 下面 ,让我们详细的讨论下噪声指数,一些折衷做法可能会导致人们的误解,而且 低噪声指数并不总是意味着转换器有较低的前端噪声。

当我们需要了解级联信号链系统中噪声对设计的动态影响时,往往会用到噪 声指数(NF)。请记住,当源电阻增加到原来的四倍时,噪声指数将改善6 dB,但同时,随着电阻的增加,相应地也增加了进入模数转换器的热噪声。当源电阻增大, 或是加到转换器的模拟前端(变压器、放大器或其它)的输入信号达到满量程一半时, 在感兴趣的带宽内的噪声就越难于处理,从而最终恶化转换器的性能。

为什么会这样呢?如果变压器或放大器的满量程输入信号降低,那么就需要 增加增益,这在理论上也很好理解,相比于放大器,变压器更依赖于增益带宽积这个指标。因此,举例来说,使用高阻抗比变压器可将噪声指数优化到尽可能低,但 靠它来实现100MHz及更高频率常见高中频应用,却非常困难。

放大器的问题也类似:随着增益的提高,放大器不仅放大了信号,而且放大了自身固有的噪声,因而会迅速劣化转换器的性能。为了保证性能,需要使用更复杂(更高阶)的抗混叠滤波器,而这样的滤波器将包含很多阻性和“有损耗”元件。

其实,在设计前端时需要时刻注意噪声频谱密度(NSD)。噪声频谱密度的单位通常是nV/rt-Hz,对转换器来说这才是真正重要的一个指标,因为在数字域中这一个指标会被报告和反复揣摩,以将信号差分化并最终从频带内“挑选出”感兴趣信号 。

总之,要确保正确的分配增益,使整个信号链上所有的输入输出满量程信号达到最大。衰减、填充或阻抗在信号链中并不是好的噪声指数折衷方式,因为电阻的存在会浪费功率和增加噪声。后续第二部分将讨论电阻噪声和转换器噪声之间的比较。

ADC的噪声指数公式:NF = Pfs(dBm)+ 174dBm – SNR – 10*log (BW),其中Pfs=所用输入网络的满量程功率。

作者

Rob Reeder

Rob Reeder

Rob Reeder是ADI公司高速转换器和RF应用部(美国北卡罗来纳州格林斯博罗)的高级系统应用工程师。他发表了大量有关各种应用的转换器接口、转换器测试和模拟信号链设计的文章。Rob曾在航空航天和防务部担任应用工程师5年之久,专注于雷达、EW和仪器仪表等各种应用领域。他曾在高速转换器产品线上任职9年。在此之前,Rob还从事过测试开发和模拟设计工作(效力于ADI多芯片产品集团),拥有5年的太空、防务和高度可靠的应用模拟信号链模块设计经验。Rob于1996年和1998年分别获得北伊利诺斯州大学(伊利诺斯迪卡尔布市)的电子工程学士(BSEE)学位和电子工程硕士(MSEE)学位。Rob晚上不写论文或在实验室研究电路时,他喜欢在健身房活动、听电子音乐、用旧木板制作家具;最重要的是和他的两个孩子一起放松自己。