精密逐次逼近型ADC基準(zhǔn)電壓源的設(shè)計(jì)方案

因此，基準(zhǔn)電壓源電路應(yīng)具有不超過10 µV rms的噪聲，以便最大程度減少對SNR造成的影響?；鶞?zhǔn)電壓源和運(yùn)算放大器的噪聲規(guī)格通?？煞譃閮刹糠郑旱皖l噪聲(1/f)和寬帶噪聲。結(jié)合這兩部分可得到基準(zhǔn)電壓源電路的總噪聲貢獻(xiàn)。圖7顯示ADR431 2.5 V基準(zhǔn)電壓源的典型噪聲與頻率關(guān)系曲線圖。

圖7. 帶補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的ADR431噪聲曲線

ADR435補(bǔ)償其內(nèi)部運(yùn)算放大器，驅(qū)動(dòng)大容性負(fù)載并避免噪聲峰化，使其非常適合與ADC一同使用。更詳盡的敘述可參見數(shù)據(jù)手冊。采用10 µF電容，其噪聲額定值為8 µV p-p 1/f(0.1 Hz至10 Hz)，寬帶噪聲頻譜密度為115 nV/√Hz.估計(jì)噪聲帶寬為3 kHz.若要將1/f噪聲從峰峰值轉(zhuǎn)換為均方根(rms)，可除以6.6:

然后，使用10µF電容下的估計(jì)帶寬計(jì)算寬帶噪聲貢獻(xiàn)。有效帶寬由下式確定：

使用該有效帶寬計(jì)算rms寬帶噪聲：

總rms噪聲是低頻噪聲和寬帶噪聲的平方和開根：

結(jié)果低于10µV rms,因此不會對ADC的SNR造成太大影響。這些計(jì)算可用來估算基準(zhǔn)電壓源的噪聲貢獻(xiàn)，以判斷其穩(wěn)定性，但需要在工作臺上使用真實(shí)硬件對數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

若緩沖器在基準(zhǔn)電壓源之后使用，則同樣的分析可用于計(jì)算噪聲貢獻(xiàn)。例如，AD8031具有15 nV/√Hz的噪聲頻譜密度。由于輸出端具有10 µF電容，其測量帶寬下降至大約16 kHz.使用此帶寬和噪聲密度，同時(shí)忽略1/f噪聲，則噪聲貢獻(xiàn)為2.4 µV rms.對基準(zhǔn)電壓源緩沖器噪聲和基準(zhǔn)電壓源噪聲進(jìn)行平方和開根計(jì)算，即可得到總噪聲的估算值。通常，基準(zhǔn)電壓源緩沖器的噪聲密度遠(yuǎn)低于基準(zhǔn)電壓源噪聲密度。

使用基準(zhǔn)電壓源緩沖器時(shí)，可通過在基準(zhǔn)電壓輸出添加一個(gè)極低截止頻率的RC濾波器，對來自基準(zhǔn)電壓源的噪聲進(jìn)行帶寬限制，如圖8所示?？紤]到基準(zhǔn)電壓源通常是噪聲的主要來源，這樣做可能會非常有效。

圖8. 帶RC濾波的基準(zhǔn)電壓源

選擇基準(zhǔn)電壓源時(shí)的一些其它重要考慮因素包括初始精度和溫度漂移。初始精度以%或mV為單位。許多系統(tǒng)允許校準(zhǔn)，因此初始精度不如漂移那么重要，而漂移通常以ppm/°C或µV/°C為單位。大多數(shù)優(yōu)秀的基準(zhǔn)電壓源漂移低于10 ppm/°C,而ADR45xx系列更是將漂移驅(qū)動(dòng)至僅有數(shù)ppm/°C.該漂移必須納入系統(tǒng)誤差預(yù)算中。

基準(zhǔn)電壓源故障排除

設(shè)計(jì)不佳的基準(zhǔn)電壓源電路可能導(dǎo)致嚴(yán)重的轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤。最常見的基準(zhǔn)電壓源問題是來自ADC的重復(fù)或“粘連”代碼問題。當(dāng)基準(zhǔn)電壓源輸入端噪聲足夠大，便可能造成ADC作出錯(cuò)誤的位判斷。哪怕輸入有所改變，它也以同樣的代碼重復(fù)出現(xiàn)多次，或者在較低的有效位中填充重復(fù)的1或0字串，如圖9所示。紅色圓圈區(qū)域中，ADC出現(xiàn)粘連，重復(fù)返回相同的代碼。通常滿量程附近的問題更嚴(yán)重，因?yàn)榛鶞?zhǔn)電壓源噪聲對較高有效位的判斷產(chǎn)生的影響更大。一旦作出錯(cuò)誤的位判斷，其余位便填充1或0.

圖9. ADC傳遞函數(shù)中的“粘連”代碼

導(dǎo)致出現(xiàn)“粘連”位的最常見原因是基準(zhǔn)電壓源電容的尺寸與位置、基準(zhǔn)電壓源/基準(zhǔn)電壓源緩沖器的驅(qū)動(dòng)能力不足，或是基準(zhǔn)電壓源/基準(zhǔn)電壓源緩沖器選型不當(dāng)導(dǎo)致過量噪聲。

將儲能電容放置在ADC的基準(zhǔn)電壓源輸入引腳附近并使用寬走線實(shí)現(xiàn)連接很重要，如圖10所示。使用多個(gè)過孔將電容連接至接地層，可獲得較低的阻抗路徑。若基準(zhǔn)電壓源具有專用地，則電容應(yīng)當(dāng)通過寬走線連接至該引腳附近。由于電容用作電荷庫，它必須足夠大，以限制衰減，并且必須具有低ESR特性。具有X5R電介質(zhì)的陶瓷電容是個(gè)不錯(cuò)的選擇。電容典型值為10 µF至47 µF范圍內(nèi)，但根據(jù)ADC的電流要求，有時(shí)也可使用較小數(shù)值的電容。

圖10. 典型基準(zhǔn)電壓源電容布局

驅(qū)動(dòng)能力不足是另一個(gè)問題，特別是使用低功耗基準(zhǔn)電壓源或微功耗基準(zhǔn)電壓源緩沖器，因?yàn)樗鼈兺ǔ＞哂懈叩枚嗟妮敵鲎杩?，隨頻率而明顯增加。使用吞吐速率較高的ADC時(shí)，這個(gè)問題尤其明顯，因?yàn)橥掏滤俾瘦^低時(shí)，電流要求更高。

來自基準(zhǔn)電壓源或基準(zhǔn)電壓源緩沖器的過量噪聲與轉(zhuǎn)換器的LSB大小有關(guān)，也可能會造成粘連代碼，因此基準(zhǔn)電壓源電路的電壓噪聲必須保持為LSB電壓的一小部分。

結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種精密逐次逼近型ADC設(shè)計(jì)基準(zhǔn)電壓源電路方案，并強(qiáng)調(diào)了如何判斷某些常見問題。文中的計(jì)算公式用于估算基準(zhǔn)電壓源電路的驅(qū)動(dòng)能力和噪聲要求，以便有更高的概率使該電路通過硬件測試。(作者：Alan Walsh)