没有最低只有更低,高精密系统的超低噪声电压基准源设计

时间:2021-11-25 17:35来源:

摘要:“基础不牢,地动山摇”,这句每个人耳熟能详的警示语,每个行业大概都可以与其关联进行解读。在信号链上,基准电压应该是少有的几个关键的“基础”。

“基础不牢,地动山摇”,这句每个人耳熟能详的警示语,每个行业大概都可以与其关联进行解读。在信号链上,基准电压应该是少有的几个关键的“基础”。基准电压的性能对信号调理起着决定性的作用,基准电压选择与电路设计必须谨慎,其中基准电压噪声非常重要。特别是像航空航天和防务、天然气勘探到制药和医疗设备制造,这些行业越来越需要能够实现高于24位分辨率的超高精度测量。
 
例如,制药行业使用高精度实验室天平,该天平在2.1 g满量程范围内提供0.0001 mg分辨率,所以需要使用分辨率高于24位的模数转换器(ADC)。校准和测试这些高精度系统对仪器仪表行业来说是一大挑战,要求提供分辨率达到25位以上、测量精度至少7.5数字位的测试设备,而高精度背后是对高性能的电压基准源的要求。

电压基准源的作用:将数据采集与真世界行关
 

 
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。
 
 
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