ADI: 即将进行的精细ADC参考电压规划

高分辨率，连续迫近的ADC的整体精度取决于其基准电压源的精度，稳定性和驱动能力. ADC参考电压输入端的开关电容器具有动态负载，因此参考电压源电路必须处理与时间和吞吐速率相关的电流. 某些ADC在片上集成了参考电压源和参考电压缓冲器，但这种类型的设备在功耗或功能方面可能不是最佳的-一般功能只能通过使用外部参考电压电路来实现. 本文回顾了参考电压电路规划中遇到的挑战和要求.

图1所示为连续迫近ADC的简化. 在采样距离内，电容DAC连接到ADC输入，并且与输入电压成比例的电荷存储在电容器中. 转换开始后，DAC与输入断开连接. 转换算法将每个位切换到参考电压或一一接地. 电容器上电荷的重新分布会导致电流流入或流出参考电压源. 动态电流负载是ADC吞吐速率和控制位检查的内部时钟的函数. 最高位（MSB）会保留大部分电荷，并需要大部分电流.

图1. 16位逐次接近ADC的简化原理图

图2显示了16位，1 MSPS，PulSAR®连续迫近ADC参考电压AD7980的参考输入处的动态电流负载. 研究了参考电压源和参考电压引脚之间的500电阻两端的压降后，即可获得测量值. 曲线显示电流尖峰高达2.5 mA，较小的尖峰分散在整个转换期间.

图2. AD7980动态基准电流

为支持该电流，同时保持参考电压的无噪声特性，请放置一个高值，低ESR的储能电容器，使其尽可能靠近参考电压输入，通常为10 µF或更大. 较大的电容器将进一步平滑电流负载并降低参考电压源电路上的负载，但使用非常大的电容器会出现稳定性问题. 参考电压源需要能够提供填充参考电容器所需的均匀电流，而又不会导致参考电压下降太多. 在ADC数据手册中，通常以特定的吞吐速率指定基准输入电流的平均值. 例如，在AD7980数据手册中，将1 MSPS下5 V基准电压的均匀基准电流指定为330 µA的典型值. 转换之间不消耗电流，因此基准电流随吞吐速率线性变化，在100 kSPS时降至33 µA. 参考电压源（或参考电压缓冲器）需要在最高目标频率时具有低输出阻抗，以便维持ADC输入端的电压电平，以使电压不会因电流而下降太多.

图3显示了典型的参考电压源电路. 基准电压源可以与满足驱动电流的缓冲器集成在一起，或者可以将适当的运算放大器用作缓冲器. 为防止转换错误基准电压源原理，在特定吞吐速率下所需的均匀电流不应使基准电压下降超过½LSB. 在突发转换中，此错误最为严重，因为在此吞吐速率下，基准负载将从零变为均匀的基准电流.

图3.典型的精细连续迫近ADC参考电压源电路

AD7980是一款16位ADC，具有IREF = 330 µA和VREF = 5V. 以该ADC为例基准电压源原理，确认参考电压源是否具有足够的驱动能力（关于½LSB压降，最大允许值）. 输出阻抗为: <

大多数参考电压源不指定输出阻抗，而是指定负载调节率，通常以ppm / mA表示. 通过将其乘以参考电压并除以1000，可以将其转换为输出阻抗. 例如，“ ADR435超低噪声XFET®5-V 5 V参考电压源规定的最大负载调节率为15 ppm / mA当输出电流时. 转换为电阻，可用:

因此，就输出阻抗而言，应满足ADR435. 它可以提供的最大电流为10 mA，满足330 µA的均匀参考电流. 当ADC输入电压超过参考电压时，即使在很短的时间内，它也会向参考电压源注入电流，因此参考电压源必须能够吸收一定量的电流. 图4显示了ADC与参考电压输入之间的二极管连接. 在输入超范围条件下，它可以形成流入参考电压源的电流. 与某些旧的基准电压源不同，ADR435的灌电流为10 mA.

图4. AD7980模仿输入结构

由于参考电流的参数要求与吞吐速率呈线性关系，因此可以在吞吐速率较低或吞吐速率较低的ADC（例如500 kSPSAD7988-5或100 kSPSAD7988-1（IREF） = 250 µA）具有较高输出阻抗（较低功耗）的基准电压源. 减小基准电流后，可以计算出最大输出阻抗. 请注意，这些公式仅供参考. 选定的参考电压源. <

当选择的参考电压源的驱动不可行时，当可能首选微功率参考电压源时，可以使用参考电压缓冲器. 这可以通过为适当的运算放大器配备单位增益来实现. 运算放大器必须具有低噪声和适当的输出驱动能力，并且必须能够在较大的电容负载下稳定运行. 还必须能够提供所需的电流. 通常不指定运算放大器的输出阻抗，但通常可以通过输出阻抗与频率之间的关系来确定，如图5的AD803180 MHz轨到轨运算放大器所示.

图5. AD8031ROUT和频率

100 kHz以下，输出阻抗小于0.1Ω；而在DC时它小于0.05Ω，因此对于以1 MSPS驱动AD7980的示例来说，这是一个不错的选择. 在很宽的频率范围内保持低输出阻抗对于驱动参考电压输入非常重要. 即使电容值很大，储能电容器也无法消除参考电压输入所消耗的电流. 电流纹波的频率分量是吞吐速率和输入信号带宽的函数. 大型储能电容器会处理与吞吐速率相关的高频电流，因此参考电压缓冲器必须在最大输入信号频率（或储能电容器阻抗变得足够低以至提供所需的电流）. 参考电压数据表中的典型曲线显示了输出阻抗与频率之间的关系，在选择参考电压源时应予以考虑.

AD8031是一个很好的选择，当容性负载大于10 µF时，它是稳定的. 其他运算放大器（例如，ADA4841在大电容下也将保持稳定，因为它们主要驱动稳定的DC电平，但是需要测试某些特定的运算放大器以确认负载特性. 使用串联电阻不好）在电容器之前保持稳定的想法，因为这会增加输出阻抗.

当使用一个参考电压源驱动多个ADC时，参考电压缓冲器非常有用，例如图6所示的同时采样应用中的情况.

图6.参考电压源电路驱动多个ADC

所有ADC参考电压输入都有自己的存储电容器，其放置位置应尽可能靠近参考电压输入引脚. 从参考电压输入开始的每条走线都被引回到参考电压缓冲器输出处的星形连接，以最大程度地减小串扰效应. 具有低输出阻抗和高输出电流能力的基准电压缓冲器可以驱动许多ADC，具体取决于电流要求. 请注意，必须使用一个额外的电容器来使缓冲器稳定，这与多个参考电压电容器有关.

一旦确定了驱动能力，就必须确保参考电压源电路的噪声不会影响ADC功能. 为了遵守信噪比（SNR）和其他标准，必须将基准电压源的噪声贡献限制在ADC噪声的一小部分（更大的目标是20％或更少）. AD7980集成了5 V基准电压源，并具有91 dB的额外SNR. 转换为有效值可以得到:

因此，参考电压电路应具有不超过10 µV rms的噪声，以最小化对SNR形成的影响. 参考电压源和运算放大器的噪声标准通常可以分为两部分: 低频噪声（1 / f）和宽带噪声. 将这两个部分组合在一起可以得到参考电压源电路的总噪声贡献. 图7显示了ADR4312.5 V参考电压源的典型噪声与频率关系曲线.

图7.具有补偿网络的ADR431噪声曲线

ADR435对其内部运算放大器进行补偿，驱动较大的容性负载并防止噪声峰值，因此非常适合与ADC配合使用. 可以在数据手册中找到更详细的描述. 使用10 µF电容器，其附加噪声值为8 µV p-p 1 / f（0.1 Hz至10 Hz），宽带噪声频谱密度为115 nV /√Hz. 估计的噪声带宽为3 kHz. 要将1 / f噪声从峰峰值转换为均方根（rms），请除以6.6:

然后，使用估算的带宽和10 µF电容来解决宽带噪声问题. 可用带宽由以下公式确认:

使用此有用的带宽来计算rms宽带噪声:

总均方根噪声是低频噪声和宽带噪声的平方根:

结果小于10 µV rms，因此不会过多影响ADC的SNR. 这些计算可用于估计参考电压源的噪声贡献，以确定其稳定性，但需要在工作台上使用真实的硬件来验证数据.

如果在参考电压源之后使用缓冲器，则可以使用相同的分析来说明噪声的产生. 例如，AD8031的噪声频谱密度为15 nV /√Hz. 由于输出端有10 µF电容，因此其测量带宽降至约16 kHz. 利用此带宽和噪声密度一起忽略1 / f噪声，噪声贡献为2.4 µV rms. 可以计算参考电压源缓冲噪声和参考电压源噪声之和的平方根，以获得总噪声预算值. 通常，参考电压缓冲器的噪声密度远低于参考电压源的噪声密度.

使用参考电压源缓冲器时，可以在参考电压输出上添加一个非常低的截止频率RC滤波器，以限制来自参考电压源的噪声带宽，如图8所示. 参考电压源通常是主要的噪声源，这可能非常有用.

图8.具有RC滤波的参考电压源

选择基准电压源时，其他一些重要的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. 许多系统都允许校准，因此初始精度并不像漂移那么重要，漂移通常以ppm /°C或µV /°C进行测量. 最出色的基准电压漂移低于10 ppm /°C，而ADR45xx系列则将漂移驱动到极少的ppm /°C. 该漂移需要包含在系统错误预算中.

规划不当的参考电压源电路可能会导致严重的转换错误. 最常见的参考电压问题是来自ADC的重复或“粘滞”代码问题. 当参考电压源的输入端的噪声足够大时，它可能构成ADC来进行错误的位判断. 即使输入被更改，也将使用相同的代码重复该重复，也许是将重复的1或0字符串填充到较低的有用位中，如图9所示. 在红色圆圈区域中，ADC被卡住，并且相同代码重复. 通常，由于参考电压噪声对较高有用位的辨别有较大影响，因此满量程接近问题更加严重. 一旦确定了错误的位，其他位将用1或0填充.

图9. ADC传递函数中的“ Stick”代码

“粘滞”位置的最常见原因是参考电压电容器的尺寸和方向，参考电压/参考电压缓冲器的驱动能力不足或参考电压/参考电压缓冲器的选择不当会引起过多的噪音.

将存储电容器放置在ADC参考电压源的输入引脚附近并使用宽走线以完成连接非常重要，如图10所示. 使用多个过孔将电容器连接到接地层以获得较低的阻抗路径. 如果参考电压源具有专用接地，则电容器应通过较宽的走线连接到该引脚. 由于电容器用作电荷储存器，因此电容器必须足够大以限制衰减，并且必须具有低ESR特性. 具有X5R电介质的陶瓷电容器是一个不错的选择. 电容器的值通常在10 µF至47 µF的范围内，但是根据ADC的电流要求，有时可以使用较小的值.

图10.典型参考电容器布局

缺乏驱动能力是另一个问题，特别是使用低功率参考电压源或微功率参考电压源缓冲器，因为它们通常具有更高的输出阻抗，并随频率而显着增加. 当使用具有较高吞吐速率的ADC时，此问题尤其重要，因为当吞吐速率较低时，电流要求也较高.

来自参考电压源或参考电压源缓冲区的过多噪声与转换器的LSB大小有关，并且还可能形成粘性代码. 因此，参考电压源电路的电压噪声必须保持在LSB电压的一小部分.

本文评论了如何为精密逐次逼近ADC设计参考电压电路，并着重于如何识别一些常见问题. 本文中的计算公式用于估算参考电压源电路的驱动能力和噪声要求，从而使电路通过硬件测试的可能性更高.

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AN-931应用笔记. “了解PulSAR ADC支持电路. ”

凯斯特，沃尔特. 数据转换手册，第7章，“数据转换器支持电路”.

凯斯特，沃尔特. “哪种ADC架构最适合您的应用？”模拟对话. 第39卷，第2号，2005年.

沃尔什，艾伦. “用于精密SAR模数转换器的前端放大器和RC滤波器设计. ”模拟对话. 第46卷，第4号，2012年.

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