利用高精密模拟数字转换器评估放大器的噪声性能

典型的信号采集链路会包含放大器，adc 这些核心部件，根据实际的需求可能会有模拟开关一类的实现多路信号采样。通常放大器的噪声会有针对不同放大拓扑结构的计算方法，由噪声密度在等效带宽内积分而成，然后使用tina-ti这种仿真工具实现噪声的仿真与验证。通常在高精密系统里面，噪声是微弱的，比如下面的一个典型的放大电路，tina-ti的仿真结果是噪声为300uvrms, 示波器对于这样的噪声测量是无能为力的。本文使用ti高性能的adc的评估板, 像ads127l01，结合matlab的计算，来对放大器的噪声进行一个评估。
图（1）测试电路与仿真噪声
通过高精密的adc去采集运放的输出噪声，可以利用几个表征adc噪声性能的方法，stdev，直方图和快速傅立叶变换。stdev就是离散数据的噪声有效值，fft通过累加各频率的分量，也可以计算出噪声的有效值，直方图用于观察样本的分布情况。运放的噪声和adc的噪声是相对独立的，可以通过噪声均方根的方式叠加。这样，就将运放噪声的有效值与评价adc噪声性能的方法联系起来了。
由上式可以看出，要用adc评价放大器的噪声，需要测量两组数据，一组是adc本身的噪声，一组是连接上放大器的噪声。我们用ads127l01的评估板采集两组数据，然后分别使用matlab函数求解绘制stdev, 直方图和执行快速傅立叶变换。下面来看一个具体使用到的matlab函数：
avg = mean(num); % 求解样本num中的平均值
std = std(num); % 求解样本num的stdev，就是rms值
hist(num,20); % 将样本num的分布按照直方图绘出
y = fft(num,32768,1); % 对样本num进行fft
y1 = abs(y) / 16384; % 求解频谱分量的幅值
power = y1.^2 * 0.5; % 求解频谱分量的功率
totaln = sqrt(***(power)); % 将噪声频谱累加
图2 为仅adc噪声分析，左上角为ads127l01评估板采样的原始样本，右下角为对样本做fft后对各噪声分量的累加。通过matlab分析样本，得到样本的stdev 为28.5uvrms。fft分析做累加，得到了同样的结果，噪声有效值为28.5uv。
图（2）adc噪声分析
图（3）为使用ads127l01评估板采集图（1）所示电路的噪声分析，同样左上角为原始样本，右下角为对样本做fft后对各噪声分量的累加。通过matlab分析样本，得到样本的stdev 为263uvrms。fft分析做累加，得到了同样的结果，噪声有效值为263uv。
图（3）adc+放大器噪声分析
根据噪声的叠加原理，图（1）所示放大电路实际测量噪声为261uvrms，仿真的结果为300uvrms。
本文通过一个实际的例子演示了如何使用高精密adc评估放大器的噪声性能，实验结果与仿真结果一致，并且提供了典型的matlab函数，利用stdev, 直方图，fft对adc采集后的数据，对放大器进行噪声分析是一种直观且有效的方式。