SAR ADC基准电压设计指南
SAR ADC基准电压设计指南
高分辨率、逐次逼近型ADC的整体精度取决于精度、稳定性和其基准电压源的驱动能力。本文将详细介绍SAR ADC基准电压设计的关键要素，包括基准电压的动态电流要求、输出驱动能力、输入驱动能力、噪声控制、温度漂移等，并通过具体计算示例和电路图帮助读者更好地理解这些概念。
1. 内部基准与外部基准的选择
ADC 片上通常会集成基准电压源和基准电压源缓冲器，但这类器件在功耗或性能方面可能并非最佳。为了达到最佳性能，通常需要使用外部基准电压源电路。
2. 基准电压的要求
ADC 基准电压输入端的开关电容具有动态负载，因此基准电压源电路必须能够处理与时间和吞吐速率相关的电流。转换开始后，DAC 从输入端断开。转换算法逐个开关每一位至基准电压或地。电容上的电荷再分配可导致电流流入或流出基准电压源。动态电流负载是 ADC 吞吐速率和控制位检验的内部时钟的函数。最高有效位(MSB)保持大部分的电荷，需要大部分电流。
2.1 基准电压动态电流
若要支持该电流，同时保持基准电压的无噪声特性，需在尽可能靠近基准电压输入放置一个高数值、低ESR的储能电容，通常为10Uf。但是极大的电容会产生稳定性问题。基准电压源必须要能提供灌满基准电容所需的平均电流，而不会导致基准电压下降过大。
2.2 基准电压输出驱动
为避免转换误差，特定吞吐速率下所需的平均电流不应使基准电压下降超过½ LSB。该误差在突发转换中最为明显，因为此吞吐速率下基准负载将从零变化到平均基准电流。
以16位ADC AD7980为例，其IREF = 330µA，VREF = 5V。对于½LSB压降，最大允许输出阻抗为：
改善输出阻抗要求高的办法：由于基准电流的参数要求与吞吐速率成线性关系，较低的吞吐速率或使用较低吞吐率的 ADC（如 500 kSPS AD7988-5或 100 kSPS AD7988-1，其 I REF = 250 µA）时，可采用较高输出阻抗（功耗较低）的基准电压源。通过降低基准电流，可算出最大输出阻抗。请注意，这些公式仅作参考准则，对选择的基准电压源必须测试硬件驱动能力。
大部分基准电压源不指定输出阻抗，但会指定负载调整率，通常以ppm/mA表示。将其乘以基准电压并除以1000即可转换为输出阻抗。例如，ADR435超低噪声 XFET® 5V基准电压源指定流出电流时的最大负载调整率为15 ppm/mA。转换为电阻，可得：
因此，就输出阻抗而言，ADR435应该足够了。它可流出的最大电流为10mA，足够处理330 µA的平均基准电流。
2.3 基准电压输入驱动
原因：当ADC输入电压超出基准电压，哪怕只有很短的一段时间，它也会向基准电压源注入电流，因此基准电压源必须要能吸取一定量的电流。
2.4 基准驱动能力不够
可通过将适当的运算放大器配置成单位增益而实现。运放必须具备低噪声和适当的驱动能力，并且要能够稳定工作在较大容性负载下。运放输出阻抗一般与频率有关。
为了保持运放稳定，在输出端串接电阻并不是很好的办法，因为这样会增加输出电阻。
2.5 基准噪声
一旦确定了驱动能力，必须确保基准电压源电路的噪声不影响 ADC 性能。为了保持信噪比(SNR)和其它规格，必须将基准电压源噪声贡献限定为 ADC 噪声的一小部分（比较理想的是 20%或更低）。AD7980 集成 5 V 基准电压源，额定 SNR为 91 dB。转换为 rms 可得：
ADC分辨率= 5V / 2^16 = 76uv
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(1/f)噪声和宽带噪声。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。
1/f噪声对超低频率电路是一大威胁，因为许多常用噪声抑制技术，像低通滤波、均值和长时间积分等，对它都无效。
具体计算过程：
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。
2.6 基准温漂
大多数优秀的基准电压源漂移低于 10ppm/°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。因此运放选型时也许特别注意温漂系数。