夺得电压参考电路的金牌

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在您努力想要找到正确的电压参考设计时,高分辨率混频信号器件会带来一个有趣的挑战。尽管没有一款适合所有电压参考设计的通用解决方案,但是图 1 所示电路还是为您的 16 位以上的转换器提供了一款不错的解决方案。





图 1 16 位以上ADC电压参考电路



高分辨率转换器存在的一些问题是电压参考噪声、稳定性,以及该参考电路驱动转换器电压参考引脚的能力。R1、C2 和 C3 无源滤波器随电压参考噪声急剧下降。这种低通滤波器的转角频率为 1.59Hz。该滤波器可减少宽带噪声和极低频噪声。附加 R-C 滤波器使噪声水平降至20位ADC的可控范围以内。这一结果令人鼓舞。但是,如果电流受到拉力,从 ADC 参考引脚流经 R1,则压降会破坏转换,因为每个位判定 (bit decision) 都有一次压降(请参见参考文献 1)。

图 1 所示电路图有一个运算放大器 (op amp),旨在“隔离”C2、R1 和 C3 低通滤波器,并为 ADC 的电压参考引脚提供足够的驱动力。25℃ 时,CMOS 运算放大器 (OPA350) 的输入偏置电流为 10 pA。这一电流与 R1(10 kΩ)共同产生一个 100 nV 的恒定 DC 压降。这种水平的压降不会改变 23 位 ADC 的最终位判定。运算放大器的输入偏置电流随温度变化而改变,这是实际情况,但在 125℃ 温度下您可以预计一个不超过 10 nA 的最大电流值,其在 100℃ 温度范围产生 100 μV 的变化。

我们需要将 R1 的这种压降考虑进来。该压降会增加电压参考器件的误差。假设电压参考电路的初始误差为 ±0.05%,且误差温度为 3 ppm/℃。参考电压为 4.096 伏时,室温下初始电压参考误差等于 2.05 mV,125℃ 时增加 1.23 mV。图 1 所示电路中,随着运算放大器偏移和输入偏置电流误差的变化,参考电压器件占主导地位。连接至图 1 所示电路的 ADC,承受的误差是参考电压、R1 和 OPA350(增益误差)所产生误差的和。

运算放大器驱动一个10 μF 电容器 (C4) 和 ADC 的电压参考输入引脚。位于 C4 上的电荷提供 ADC 转换期间所需的电荷。在 AD C的数据采集和转换期间,C4 容量的大小为 ADC 的参考引脚提供一种恒定的电压参考,其通常具有约 2 到 50 pF 的输入电容。

图 1 所示电路中,需要注意的最后一点。C4 和运算放大器开环输出电阻 (RO) 改变放大器的开环增益 (AOL) 曲线时,您可以对放大器的稳定性做折中处理。参考文献 2 中的讨论说明了找出这一问题的过程。基本上而言,具有较好稳定性的电路是改进运算放大器 AOL 曲线和闭环电压增益曲线的闭合速率为 20dB 的电路。





图 2      图 1 所示 OPA350 缓冲频率响应



该稳定电路中,极点和零点的频率位置计算如下,其中 OPA350 的开环输出电阻为 50Ω (RO),而 C4 (RESR) 的 ESR 为 2 mΩ。


 (796k 变为 78k)
 
参考文献:
《提升混频信号电压参考》,作者:Baker, Bonnie
《只需使用一个 100Ω 电阻器》,作者:Baker, Bonnie