使用全差分放大器补充 ADC 本底噪声

使用全差分放大器补充 ADC 本底噪声。 

全差分放大器用于混合信号设计以管理差分对。差分对是信号强度相等但信号强度相反且具有共享频率的信号。这些对最常用于低压、高频信号传输，因为它们能够减轻共模噪声。全差分放大器可以采用单个输入并将其输出到差分对中，或者放大器可以采用差分对输入和输出到差分对中。放大器通过两个反馈环路和偏移补偿来做到这一点。它们适用于混合信号系统中的任何敏感频率节点，尤其适用于模数转换器 (ADC)。

汽车系统使用全差分放大器与 ADC 的组合，用于无线电台及其各自的嵌入式系统。汽车内的许多嵌入式系统管理来自和接收传感器的信息，这些传感器使用相机和/或视频在整个汽车中进行复杂的通信。汽车在动态环境中运行，受周围设备和基础设施的温度波动和噪音影响。

行车记录仪使用全差分放大器显示清晰的动态图像

带 ADC 的全差分放大器的特性

全差分放大器 (op-amps) 用于混合信号系统，以减轻宽带宽上的噪声。它采用差分信号对来消除共模噪声。由于阻抗不匹配和时钟边沿速率，共模噪声在大多数电气系统中很常见。具有主动管理共模噪声的设计是理想的，这就是为什么全差分放大器可用于敏感信号管理的原因。它们的宽带宽也产生整体低频谱信号密度，使其适合与 ADC 一起使用。

模数 (ADC) 转换器依靠无噪声信号输入来利用其全动态范围。如果信号在ADC 的动态范围内的噪声干扰出现在其输入端，则会丢失到本底噪声。当位丢失到本底噪声时，ADC 无法使用所有位进行转换。当 ADC 内的全分辨率丢失时，本底噪声信号会被削波或相关信号出现其他类型的失真。设计混合信号系统以保持精度需要精心选择能够互补优势和劣势的部件。

ADC： 模数转换。一种将模拟信号（例如麦克风拾取的声音或进入数码相机的光线）转换为数字信号的系统。ADC 还可以提供隔离测量，例如将输入模拟电压或电流转换为表示电压或电流幅度的数字数字的电子设备。

CCD： 电荷耦合器件。一种用于电荷移动的装置，通常从装置内部到可以操纵电荷的区域，例如，转换成数字值。数字成像的一项主要技术。

差分放大器： 放大两个输入电压之间的差异，但抑制两个输入共有的任何电压。

ENOB： 有效位数是衡量 ADC 及其相关电路动态范围的指标。

FS： 满量程，在本文中用于满量程音调，即应用于运算放大器以测量其频谱噪声的频谱频率。

FDA： 全差分放大器：具有差分输入和差分输出的直流耦合高增益电子电压放大器。FDA通常用于将模拟信号转换成更适合驱动到模数转换器的形式；许多现代高精度 ADC 具有差分输入。

GBP： 放大器的增益带宽积是放大器带宽与测量带宽时的增益的乘积。

NSD： 噪声谱密度是每单位带宽的噪声功率。当参考（又名，在应用时测量）满量程音调时，它被写为 dBFS/Hz。

PSD： 功率谱密度是信号中存在的功率，作为频率的函数，每单位频率 (W/Hz)

分辨率： ADC 的分辨率由用于表示模拟值的位数指定，原则上为 N 位信号提供 2N 个信号电平。

SNR： 信噪比。对于 ADC，它是 ADC 中所有噪声源相对于输入信号功率的总和。它通常表示为有效位数。

信号链： 信号处理和混合信号系统设计中使用的术语，用于描述一系列接收串联输入的信号调节电子元件，其中一部分链的输出为下一部分提供输入。

全差分放大器噪声频谱密度注意事项

事实证明，选择增益带宽积 (GBP) 比你将使用的 ADC 大得多的全差分放大器对 ADC 信号底限的影响最小。这是因为全差分放大器的信号链分布在更宽的频率范围内，从而保持噪声幅度非常小。在对 ADC 信号底限的影响最小的情况下，所有转换位都将保持可用，而不会将转换位丢失到噪声中。

尽管观察到三种常见的噪声特性，但全差分放大器信号链会以多种方式产生噪声。由于晶体管波动，在低频下会出现闪烁噪声。存在来自输入和内部时钟的采样时间误差的相位噪声，并且在偏置离散中存在以热噪声为主的白噪声。闪烁和相位噪声出现在全差分放大器的 GBP 内的两个窄带宽中，可能不会影响电路的运行。但是，白噪声会影响信号链中的整体本底噪声，并可能对 ADC 等下游电路模块产生影响。选择具有宽带宽的全差分放大器对于保持 ADC 性能很重要。

由于白噪声会影响信号链中的整体噪声，因此必须小心选择白噪声强度与 ADC 本底噪声相似的全差分放大器。充分利用 ADC 的动态范围将保证信号完整性。保持 ADC 本底噪声而不是提高它，可以实现转换的全分辨率位。并且利用所有有效位将在保持整个系统完整性的转换过程中最大限度地减少损失。

事实证明，在选择补充 ADC 本底噪声时，您需要比全差分放大器的信噪比看得更远。全差分放大器 SNR 包括闪烁和相位噪声，它们出现在接近 DC 的小带宽或器件的测试音调处。这些噪声包都不会影响全差分放大器工作带宽上的信号链，因此对 ADC 本底噪声几乎没有影响。

在为 ADC 输入选择互补全差分放大器时，查看每个部件的总谐波失真 (THD) 是一个合适的评估参数。通过确保其 THD 至少比设计中使用的 ADC 高 10dB 可以选择最高精度的全差分放大器。大带宽全差分放大器通常具有更大的 THD。与 THD 至少小于 10 dB 的 ADC 一起使用将产生与 ADC 几乎相同的本底噪声。具有相似或低于 ADC 的本底噪声将导致利用 ADC 动态范围的全分辨率进行精确转换。

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