精密逐次逼近型ADC基准电压源的设计方案

因此，基准电压源电路应具有不超过10 µV rms的噪声，以便最大程度减少对SNR造成的影响。基准电压源和运算放大器的噪声规格通常可分为两部分：低频噪声(1/f)和宽带噪声。结合这两部分可得到基准电压源电路的总噪声贡献。图7显示ADR431 2.5 V基准电压源的典型噪声与频率关系曲线图。

图7. 带补偿网络的ADR431噪声曲线

ADR435补偿其内部运算放大器，驱动大容性负载并避免噪声峰化，使其非常适合与ADC一同使用。更详尽的叙述可参见数据手册。采用10 µF电容，其噪声额定值为8 µV p-p 1/f(0.1 Hz至10 Hz)，宽带噪声频谱密度为115 nV/√Hz.估计噪声带宽为3 kHz.若要将1/f噪声从峰峰值转换为均方根(rms)，可除以6.6:

然后，使用10µF电容下的估计带宽计算宽带噪声贡献。有效带宽由下式确定：

使用该有效带宽计算rms宽带噪声：

总rms噪声是低频噪声和宽带噪声的平方和开根：

结果低于10µV rms,因此不会对ADC的SNR造成太大影响。这些计算可用来估算基准电压源的噪声贡献，以判断其稳定性，但需要在工作台上使用真实硬件对数据进行验证。

若缓冲器在基准电压源之后使用，则同样的分析可用于计算噪声贡献。例如，AD8031具有15 nV/√Hz的噪声频谱密度。由于输出端具有10 µF电容，其测量带宽下降至大约16 kHz.使用此带宽和噪声密度，同时忽略1/f噪声，则噪声贡献为2.4 µV rms.对基准电压源缓冲器噪声和基准电压源噪声进行平方和开根计算，即可得到总噪声的估算值。通常，基准电压源缓冲器的噪声密度远低于基准电压源噪声密度。

使用基准电压源缓冲器时，可通过在基准电压输出添加一个极低截止频率的RC滤波器，对来自基准电压源的噪声进行带宽限制，如图8所示。考虑到基准电压源通常是噪声的主要来源，这样做可能会非常有效。

图8. 带RC滤波的基准电压源

选择基准电压源时的一些其它重要考虑因素包括初始精度和温度漂移。初始精度以%或mV为单位。许多系统允许校准，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为单位。大多数优秀的基准电压源漂移低于10 ppm/°C,而ADR45xx系列更是将漂移驱动至仅有数ppm/°C.该漂移必须纳入系统误差预算中。

基准电压源故障排除

设计不佳的基准电压源电路可能导致严重的转换错误。最常见的基准电压源问题是来自ADC的重复或“粘连”代码问题。当基准电压源输入端噪声足够大，便可能造成ADC作出错误的位判断。哪怕输入有所改变，它也以同样的代码重复出现多次，或者在较低的有效位中填充重复的1或0字串，如图9所示。红色圆圈区域中，ADC出现粘连，重复返回相同的代码。通常满量程附近的问题更严重，因为基准电压源噪声对较高有效位的判断产生的影响更大。一旦作出错误的位判断，其余位便填充1或0.

图9. ADC传递函数中的“粘连”代码

导致出现“粘连”位的最常见原因是基准电压源电容的尺寸与位置、基准电压源/基准电压源缓冲器的驱动能力不足，或是基准电压源/基准电压源缓冲器选型不当导致过量噪声。

将储能电容放置在ADC的基准电压源输入引脚附近并使用宽走线实现连接很重要，如图10所示。使用多个过孔将电容连接至接地层，可获得较低的阻抗路径。若基准电压源具有专用地，则电容应当通过宽走线连接至该引脚附近。由于电容用作电荷库，它必须足够大，以限制衰减，并且必须具有低ESR特性。具有X5R电介质的陶瓷电容是个不错的选择。电容典型值为10 µF至47 µF范围内，但根据ADC的电流要求，有时也可使用较小数值的电容。

图10. 典型基准电压源电容布局

驱动能力不足是另一个问题，特别是使用低功耗基准电压源或微功耗基准电压源缓冲器，因为它们通常具有高得多的输出阻抗，随频率而明显增加。使用吞吐速率较高的ADC时，这个问题尤其明显，因为吞吐速率较低时，电流要求更高。

来自基准电压源或基准电压源缓冲器的过量噪声与转换器的LSB大小有关，也可能会造成粘连代码，因此基准电压源电路的电压噪声必须保持为LSB电压的一小部分。

结论

本文设计了一种精密逐次逼近型ADC设计基准电压源电路方案，并强调了如何判断某些常见问题。文中的计算公式用于估算基准电压源电路的驱动能力和噪声要求，以便有更高的概率使该电路通过硬件测试。(作者：Alan Walsh)