电压基准源的作用：将数据采集与真实世界进行关联

 

 

上图显示噪声与有效位数(ENOB)和信噪比(SNR)之间的关系。注意，噪声是基于基准电压(VREF) =5 V，ADC输入设置为满量程范围来计算的。举例来讲，要实现25位分辨率，或者152 dB动态范围，可允许的最大系统噪声为0.2437 µV rms。实验证明，为了实现25位或以上的高测量分辨率，即使是市面上最好的独立基准电压（具备低噪声规格）也需要获取一些帮助来衰减其噪声。添加外部电路（例如滤波器）可以帮助衰减噪声，以达到所需的ADC动态范围。

 
LTC6655就一直是市面上性能最高的带隙电压基准之一。其在 -40°C 至 125°C 的范围内 2ppm/°C 的漂移指标优于几乎任何其他电压基准产品。许多相似的产品可能通过特性分析或样片测试来保证稳定性，而 LTC6655 则利用 100% 的三温度测试提供保证。前面提到了LTC6655引人注目的稳定性，除此之外，LTC6655 还拥有无可比拟的噪声性能，从而使其有别于其他的高稳定性带隙电压基准。LTC6655 在 0.1 至 10Hz 具有 0.25ppm 峰至峰噪声，为高动态范围测量提供了所需的低噪声。
 
然而，为了实现25位或以上的高测量分辨率，即使是采用LTC6655这样市面上最好的独立基准电压（具备低噪声规格）也需要获取一些帮助来衰减其噪声，例如采用滤波电路降低电路噪声。下面将分析如何采用各种类型的低通滤波器，以及如何使用这些滤波器来衰减基准电压噪声。
 
使用无源低通滤波器来满足超低噪声需求
下图显示基准电压通过低通滤波器驱动ADC，该滤波器采用了外部储能电容C1、储能电容的等效串联电阻(ESR)，以及基准电压运算放大器（运放）的输出阻抗。储能电容C1也可以用作本地电源存储器，用于补偿ADC基准电压电路突然要求负载电流发生变化时产生的电压尖峰。
 
用户可以选择C1电容的值来满足LPF截止频率要求，但是有些SAR ADC要求基准输入端采用至少10 µF电容，以保证正常运行。最小的10 µF C1电容可以降低基准电压源缓冲器的相位裕量。随着相位裕量降低，缓冲器反馈不再为负。1在单位增益交叉频率附近的信号与输入信号同相反馈。这导致闭环响应在交叉频率附近出现噪声峰值。1由于源自截止频率（–3 dB点）的带宽最高达到16 MHz，总集成噪声(rms)由噪声峰值主导。即使基准电压储能电容C1作为噪声滤波器使用，并补偿电压尖峰，也需注意噪声峰值。
 
大多数基准电压都具备复杂的输出级，以驱动适用于ADC基准电压源电路的大型负载电容。例如，LTC6655输出级设计用于采用设置为10 µF的储能电容来执行关键衰减。LTC6655的储能电容设置为最小2.7 µF、最大100 µF时，会产生噪声峰值。
 
VREF输出储能电容的等效串联电阻会消除主要的噪声峰值，但是会在100 kHz和以上频率时产生二次噪声峰值。究其原因，可能是因为电容的ESR产生零噪声，可以改善相位裕量和降低主要噪声峰值。但是，这个零噪声与LTC6655固有的零噪声结合在一起，产生了二次噪声峰值。
 
过滤基准电压噪声、消除噪声峰值，以及合理驱动ADC的另一种解决方案是添加无源RC LPF，然后添加缓冲器。通过添加缓冲器，我们可以隔离LPF和ADC基准电压源输入电容之间的设计限制，如下图。

 

 

将无源RC LPF截止频率设置为远低于单位增益交越频率，不止可以降低宽带和低频率噪声，还可以避免出现噪声峰值。例如，图7显示LTC6655噪声响应，其中C1 = 100 µF (ESR = 0 Ω)，后接无源LPF，其中R = 10 kΩ、C2 = 10 µF (ESR = 0 Ω)，在1.59 Hz时产生极点。 增大低通滤波器电阻R可以帮助实现低截止频率，但是也可能会降低精密基准电压的直流精度。添加无源RC LPF时，用户还必须考虑对负载调整和VREF 缓冲器响应(τ = RC)的影响，在驱动ADC时，这会影响其瞬变性能。要达到所需的瞬变性能，建议如上图所示使用缓冲器。选择缓冲器时，要考虑的关键规格包括超低噪声、支持高负载电容的能力、低失真、出色的压摆率，以及宽增益带宽。建议采用的缓冲器为ADA4805-1 和ADA4807-1。

LTC6655-5后接无源RC LPF噪声响应

小结：
现代数据采集和信号发生系统既复杂又精细，类似航空航天和防务、天然气勘探到制药和医疗设备制造这些需要高于24位分辨率的超高精度测量，基于几十年的 IC 和应用开发以及一代又一代设计优化，DAC、ADC、电压基准等高性能集成电路的性能已经被推进到了极限，常常必须在精确度和众多优点之间做出设计选择，为满足精度要求下超低噪声设计，通过有源或无缘滤波设计可以进一步优化基准电压源性能。