高分辨率、精密ADC雜散問題的根本原因和解決方法

雖然目前的高分辨率SAR ADC和Σ-Δ ADC可提供高分辨率和低噪聲，但系統(tǒng)設(shè)計(jì)師們可能難以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)手冊(cè)上的額定SNR性能。而要達(dá)到最佳SFDR，也就是在系統(tǒng)信號(hào)鏈中實(shí)現(xiàn)無雜散的干凈噪底，可能就更加困難了。雜散信號(hào)可能源于ADC周圍的不合理電路，也有可能是因惡劣工作環(huán)境下出現(xiàn)的外部干擾而導(dǎo)致。

針對(duì)高分辨率、精密ADC應(yīng)用中的雜散問題，本文將介紹幾種判斷其根本原因的方法，并提出相應(yīng)的解決方案。這些技術(shù)和方法將有助于提高終端系統(tǒng)的EMC能力和可靠性。

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本文將針對(duì)五種不同的應(yīng)用情況闡述用于降低雜散的特定設(shè)計(jì)解決方案：

1、由控制器板上的DC-DC電源輻射而導(dǎo)致的雜散問題。

2、由AC-DC適配器噪聲通過外部基準(zhǔn)源而導(dǎo)致的雜散問題。

3、由模擬輸入電纜而導(dǎo)致的雜散問題。

4、由模擬輸入電纜上的耦合干擾而導(dǎo)致的雜散問題。

5、由室內(nèi)照明設(shè)備導(dǎo)致的雜散問題。

6、雜散與SFDR

眾所周知，無雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)表示可從大干擾信號(hào)分辨出的最小功率信號(hào)。對(duì)于目前的高分辨率、精密ADC，SFDR一般主要由基波頻率與目標(biāo)基波頻率的第二或第三諧波之間的動(dòng)態(tài)范圍構(gòu)成。然而，由于系統(tǒng)其他方面的因素，可能會(huì)導(dǎo)致雜散產(chǎn)生并限制系統(tǒng)的性能。

這些雜散可分為輸入頻率相關(guān)雜散和固定頻率雜散。輸入頻率相關(guān)雜散與諧波或非線性特性有關(guān)。本文將重點(diǎn)分析由電源、外部基準(zhǔn)源、數(shù)字連接、外部干擾等造成的固定頻率雜散。根據(jù)應(yīng)用情況，可降低或完全避免這些類型的雜散，以助于實(shí)現(xiàn)最佳的信號(hào)鏈性能。

由ADC周圍DC-DC電源而導(dǎo)致的雜散問題

由于DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器會(huì)產(chǎn)生較高的紋波噪聲，通常建議將LDO作為在精密測(cè)量系統(tǒng)中為精密ADC生成低噪聲電源軌的解決方案。固定頻率或脈寬調(diào)制開關(guān)穩(wěn)壓器會(huì)產(chǎn)生開關(guān)紋波，該紋波一般位于幾萬至幾兆赫茲固定頻率處。固定頻率噪聲可能會(huì)通過ADC的PSRR機(jī)制饋入ADC轉(zhuǎn)換代碼中。

某些設(shè)計(jì)師可能會(huì)因電路板空間有限或預(yù)算問題而在精密ADC應(yīng)用中采用DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器。為了實(shí)現(xiàn)理想的信號(hào)鏈性能，他們必須限制紋波噪聲或使用高PSRR ADC，以確保這些紋波噪聲低于ADC噪底。否則，在ADC輸出頻譜的開關(guān)頻率處可能會(huì)出現(xiàn)雜散，這有可能會(huì)使信號(hào)鏈的動(dòng)態(tài)范圍降級(jí)。

AD7616 是一款16位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)，支持在電力線監(jiān)控中對(duì)16個(gè)通道進(jìn)行雙路同步采樣。該器件具有很高的PSRR，將能有效地抑制/衰減開關(guān)紋波。例如，將一個(gè)在100 kHz處有100 mV峰峰值紋波噪聲的DC-DC開關(guān)電源用于AD7616，VCC為5 V，±10 V輸入范圍。

則因紋波導(dǎo)致的數(shù)字碼噪聲為：

對(duì)于一個(gè)16位轉(zhuǎn)換器而言，ADC輸出端出現(xiàn)的這種紋波電平是非常低的。ADC的高PSRR性能使得設(shè)計(jì)師們也可以在精密測(cè)量系統(tǒng)中采用開關(guān)穩(wěn)壓器。

圖1.AD7616 PSRR與紋波頻率的關(guān)系

因DC-DC電源輻射而導(dǎo)致的雜散問題

僅僅使用高PSRR ADC并不能保證開關(guān)穩(wěn)壓器在精密測(cè)量系統(tǒng)中不會(huì)造成任何問題。開關(guān)穩(wěn)壓器產(chǎn)生的紋波噪聲可能會(huì)通過其他方式饋入ADC的數(shù)字碼中。

AD4003 是一款低噪聲、低功耗、高速、18位、2 MSPS精密逐次逼近型寄存器(SAR) ADC。在EVAL-AD4003FMCZ評(píng)估板交流性能測(cè)試過程中，在277.5 kHz附近出現(xiàn)約–115 dBFS的雜散電平;該雜散及其第二諧波如圖2所示。

圖2.EVAL-AD4003FMCZ評(píng)估板上觀察到的雜散問題

其次，進(jìn)行測(cè)試，判斷雜散是否來自模擬輸入端。測(cè)試結(jié)果如下：

1、移除差分模擬輸入調(diào)理電路后，雜散降低。

2、在AD4003的緩沖放大器ADA4807-1前端插入一個(gè)窄帶RC濾波器(如1 kΩ，10 nF)后，雜散降低。

這些結(jié)果表明，雜散導(dǎo)致的噪聲可能會(huì)通過調(diào)理電路進(jìn)入AD4003的模擬輸入端。然后，斷開傳感器輸出，移除調(diào)理電路，僅留下VREF/2 CM電壓輸入(在ADA4807-1的同相輸入端)。但仍然存在雜散，并且具有近似的電平。

那么，懷疑干擾源有可能位于EVAL-AD4003FMCZ信號(hào)鏈周圍。為了證明此點(diǎn)，在EVAL-AD4003FMCZ評(píng)估板和SDP-H1控制器板上多處放置銅箔屏蔽罩。其結(jié)果是，當(dāng)銅箔屏蔽罩覆蓋SDP-H1板上的DC-DC電源時(shí)，如圖3所示，雜散就會(huì)消失。277.5 kHz雜散頻率剛好與ADP2323 穩(wěn)壓器的編程開關(guān)頻率相符。圖4顯示了EVAL-AD7616SDZ GUI FFT捕獲的3.3 V VADJ_FMC開關(guān)頻率功率。

圖3.VADJ_FMC電感L5被銅箔屏蔽罩覆蓋

圖4.EVAL-AD7616SDZ GUI FFT捕獲的VADJ_FMC 3.3 V開關(guān)紋波

得出的結(jié)論是，DC-DC開關(guān)頻率干擾是由8.2 µH電感L5發(fā)出的。該干擾從緩沖放大器ADA4807-1的輸入端注入信號(hào)鏈，然后進(jìn)入AD4003 ADC的模擬輸入端。

針對(duì)這種DC-DC電源轉(zhuǎn)換器導(dǎo)致的雜散問題，可行的解決方案有：

1、在AD4003 ADC前端使用一個(gè)低通濾波器，以在應(yīng)用帶寬允許的情況下，將耦合的DC-DC開關(guān)頻率干擾衰減到符合設(shè)計(jì)目標(biāo)的程度(即雜散位于噪底以下)。

2、使用L5為屏蔽電感的新型SDP-H1板(BOM版本1.4)。輻射干擾功率降低，因此AD4003 ADC頻譜中捕獲的雜散功率也低得多。

3、VADJ_FMC的電壓電平可通過EVAL-AD4003FMCZ評(píng)估板上的EEPROM進(jìn)行編程。試驗(yàn)證明，使用較低的電壓電平(如VADJ_FMC為2.5 V)也會(huì)使雜散消失。

由AC-DC適配器噪聲耦合外部基準(zhǔn)源而導(dǎo)致雜散

ADC參考其直流基準(zhǔn)電壓電平將模擬信號(hào)量化成一個(gè)數(shù)字碼。因此，直流基準(zhǔn)電壓輸入上的噪聲將直接饋入ADC輸出的數(shù)字碼。

AD7175-2是一款低噪聲、快速建立、多路復(fù)用、2/4通道(全差分/偽差分)Σ-Δ型ADC，可用于低帶寬輸入。在EVAL-AD7175SDZ評(píng)估板的信號(hào)鏈測(cè)試中，在60 kHz附近捕獲到一簇雜散信號(hào)，如圖5所示。

圖5.EVAL-AD7175-2SDZ評(píng)估板上觀察到的雜散問題

經(jīng)過評(píng)估發(fā)現(xiàn)，AD7175-2 ADC的電源和模擬調(diào)理電路都處于良好狀態(tài)。但是，如圖6中所示，AD7175-2的5 V基準(zhǔn)電壓輸入由ADR445基準(zhǔn)源生成，該基準(zhǔn)源的9 V直流電源來自評(píng)估板外部的AC-DC適配器。接下來，使用一個(gè)工作臺(tái)9 V直流電源模塊替換該適配器。結(jié)果雜散簇消失，僅在60 kHz處留下一個(gè)窄帶雜散。

圖6.EVAL-AD7175-2SDZ評(píng)估板上觀察到雜散問題

圖7.EVAL-AD7175-2SDZ評(píng)估板上已消除雜散簇

以320 mA輸出電流對(duì)EVAL-AD7175-2SDZ板供電時(shí)，通過EVAL-AD7616SDZ GUI FFT對(duì)9V輸出AC-DC適配器進(jìn)行測(cè)試。使用AD7616 ±10 V輸入范圍時(shí)，ADR445 基準(zhǔn)源電源引腳上的開關(guān)頻率功率約為 –70 dBFS，這意味著使用AD7175-2 ±5 V輸入范圍時(shí)，產(chǎn)生的噪聲具有6.325 mV峰峰值或?yàn)?ndash;64 dBFS。

圖8.EVAL-AD7616SDZ GUI FFT捕獲的3.3 V VADJ_FMC開關(guān)紋波

此電源開關(guān)紋波噪聲會(huì)饋入AD7175-2 ADC，并以數(shù)字碼呈現(xiàn)，存在一定程度的衰減，如下所述：

1、ADR445基準(zhǔn)源的數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)定60 kHz處的PSRR為49 dB。

2、ADR445基準(zhǔn)源在60 kHz處的輸出阻抗約為4.2 Ω。結(jié)合4.8 µF存儲(chǔ)電容，可進(jìn)一步造成18 dB衰減。

3、此外，當(dāng)ODR為256 ksps時(shí)，AD7175-2 ADC的數(shù)字濾波器sinc5 + sinc1在60 kHz處會(huì)增加約–3 dB衰減。

計(jì)算所得的電平為–134 dBFS，十分接近圖5中所捕獲的–130 dBFS雜散簇電平(不包括最高的窄帶雜散)。這可證實(shí)，該雜散簇是由AC-DC適配器的開關(guān)紋波饋入外部基準(zhǔn)源ADR445造成的。剩下的窄帶雜散將在下一章節(jié)中予以分析。

由注入信號(hào)鏈的干擾而導(dǎo)致的雜散問題

在硬件系統(tǒng)中，從輸入傳感器到精密轉(zhuǎn)換器輸入端之間往往具有很長一段信號(hào)鏈。該信號(hào)鏈包括連接電纜、連接器、路由導(dǎo)線、調(diào)整和調(diào)理電路、ADC驅(qū)動(dòng)器等等。因此，外部干擾很有可能會(huì)注入模擬輸入信號(hào)鏈并產(chǎn)生ADC雜散。

由電源電纜干擾注入信號(hào)鏈而導(dǎo)致的雜散問題

在研究EVAL-AD7175-2SDZ評(píng)估板輸出頻譜中剩下的窄帶雜散時(shí)，注意到測(cè)試臺(tái)上有一臺(tái)正在工作的數(shù)字示波器。如圖9所示，該示波器的220 V交流電源電纜(黑色)與EVAL-AD7175-2SDZ評(píng)估板的模擬輸入電纜(灰色)有一部分重疊。將示波器關(guān)掉或?qū)⑵潆娫措娎|從模擬輸入電纜上移開后，60 kHz處的窄帶雜散消失，如圖10所示。

在系統(tǒng)機(jī)柜中，對(duì)傳感器至DAQ板之間的線路進(jìn)行布線時(shí)應(yīng)格外注意。將敏感的低電平模擬信號(hào)與大電流電力線隔離開來是一個(gè)良好的操作習(xí)慣。

圖9.示波器電源電纜導(dǎo)致的雜散

圖10.EVAL-AD7175-2SDZ評(píng)估板上已消除所有雜散

由燈具輻射導(dǎo)致的雜散問題

在測(cè)試EVAL-AD7960FMCZ評(píng)估板時(shí)，F(xiàn)FT頻譜上出現(xiàn)一個(gè)雜散。如圖11所示，該雜散的電平約–130 dB，位于40 kHz處。

40 kHz似乎與EVAL-AD7960FMCZ評(píng)估板及其控制器板SDP-H1上的任何信號(hào)頻率都不相關(guān)。找出雜散源的另一種方法是清理測(cè)試臺(tái)，也許是測(cè)試臺(tái)上的某些物體產(chǎn)生了外部干擾。當(dāng)關(guān)掉臺(tái)架上的日光燈后，雜散消失。此外還發(fā)現(xiàn)，EVAL-AD7960FMCZ評(píng)估板離日光燈越近，40 kHz處的雜散就會(huì)越高。在緩沖放大器ADA4899-1前方插入一個(gè)額外的RC濾波器(如1 kΩ，10 nF)后，雜散降低約10 dB。這意味著，日光燈輻射干擾從緩沖放大器的同相輸入端前方進(jìn)入到信號(hào)鏈路中。 對(duì)于工作在照明環(huán)境下的系統(tǒng)，在前端電路上安裝一個(gè)屏蔽罩有助于防止輻射干擾和優(yōu)化信號(hào)鏈性能。

對(duì)于工作在照明環(huán)境下的系統(tǒng)，在前端電路上安裝一個(gè)屏蔽罩有助于防止輻射干擾和優(yōu)化信號(hào)鏈性能。

圖11.日光燈輻射在EVAL-AD7960FMCZ上造成的雜散

圖12.靠近EVAL-AD7960FMCZ評(píng)估板的日光燈

由較長模擬輸入電纜導(dǎo)致的雜散問題

在EVAL-AD4003FMCZ評(píng)估板的工作過程中，使用的AP SY2712信號(hào)發(fā)生器通過一條XLR麥克風(fēng)電纜(約2米長)驅(qū)動(dòng)低噪聲、低THD正弦波信號(hào)進(jìn)入模擬輸入端。在這種設(shè)置下，700 kHz處出現(xiàn)一個(gè)約–125 dB的雜散，如圖13所示。

在研究該雜散的過程中，發(fā)現(xiàn)有三種方法可解決此問題：

1、不用兩米長的XLR麥克風(fēng)電纜，而直接將AP平衡輸出的XLR插針與轉(zhuǎn)接板的XLR插口短接。

2、將信號(hào)源SY2712的輸出阻抗設(shè)置從Z-Out = 40 Ω改為Z-Out = 600 Ω。

3、在AD4003的緩沖放大器ADA4807-1前端向信號(hào)鏈中插入一個(gè)窄帶RC濾波器(如1 kΩ，10 nF)后，雜散降低。

最終結(jié)論是，在700 kHz處出現(xiàn)的高頻雜散是由于信號(hào)源輸出阻抗不匹配并且XLR電纜較長所導(dǎo)致。

圖13.XLR電纜在EVAL-AD4003FMCZ上造成的雜散