ADC精密电压基准实现物联网的测量平衡

最新的模数转换器（ADC）可提供高性能信号转换，满足各种应用需求。对于物联网（IoT）设计人员来说，关键问题仍然是精确测量的平衡要求与最小化设计尺寸和复杂性的需求之间的关系。为实现这一平衡，设计人员面临着为其应用采用最有效电压参考源的关键决策。集成在ADC中的电压基准有助于简化设计，但当应用需要最佳测量精度时，外部电压基准IC通常是明智的选择。

精确测量是物理现象详细分析的物联网愿景的基础，精密电压基准对于精确测量至关重要。无论ADC的底层架构如何，其操作从根本上依赖于输入电压与参考电压的比较，以根据这些值创建适当的输出代码。在理想情况下，这种关系表示为：

输出代码= VIN x（2 n /VREF）

其中： VIN是ADC的模拟输入电压，

n是ADC输出位的数量，

VREF是提供给ADC的参考电压的模拟值。

传统的电压参考设计围绕带隙参考电路构建（图1）。在这种传统设计中，通过对具有相反极性温度系数的电压分量求和来产生输出，以产生合理的温度稳定性并且等于1.205V的硅带隙电压的输出电压。大多数电压参考设计通过电路扩展该基本设计。增加参考电压电平并缓冲输出以防止负载变化。

图1：传统的带隙电压参考电路将ΔVBE和VBE组件相加相反极性的温度系数，产生一个等于硅带隙电压1.205 V的稳定电压。（来源：Analog Devices Inc.）

降低噪声

凌力尔特公司的LT1027电压基准IC采用了另一种方法，该基准采用了凌力尔特公司专有的先进的表面齐纳双极性工艺。凭借其独特的击穿电压特性，齐纳二极管似乎非常适合用于电压参考设计，但缺陷和污染会降低在半导体芯片表面层上制造的齐纳二极管的性能。相比之下，掩埋结构结合了齐纳击穿特性的优点和改善的噪声和稳定性。利用这种低噪声方法，LT1027提供了高度灵活的精密基准IC，可与高分辨率ADC一起使用，例如Linear Technology LTC2345-16--一种低噪声8通道同步采样逐次逼近寄存器（SAR）16位ADC差分，宽，共模范围输入。

虽然制造商继续努力降低噪声，但任何半导体器件中的有源电路都会在1/f区域和宽带区域产生噪声电压。电压基准的数据表通常包括0.1至10 Hz频率范围内的输出电压噪声规范，包括1/f区域。半导体制造商有时也包括宽带区域的噪声规范。对于LT1027电压基准，Linear Tech提供两个区域的噪声规格：在0.1Hz≤f≤10Hz 1/f区域，器件产生3μVP-P;在10 Hz至1 kHz的宽带频率范围内，它具有2.0（典型值）和6.0（最大值）μVRMS。

由于最大转换精度要求最低噪声水平，设计人员通常会采用不同的方法来降低噪声。在一种常见的方法中，设计人员通过在参考输出端添加一个具有极低转角频率的低通滤波器来限制宽带噪声。电压参考IC制造商还提供不同的降噪选项。利用LT1027，设计人员可以利用器件的降噪（NR）引脚进一步降低噪声，该引脚带出内部定标放大器的正输入（图2）。通过在NR引脚和地之间连接1μF聚酯薄膜电容器，设计人员可以在10 Hz至1 kHz带宽内将LT1027LS8的宽带噪声从2.0μVRMS降低至约1.2μVRMS，而不会影响器件的瞬态响应。

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图2：基于埋入式齐纳设计，凌力尔特LT1027电压基准IC包含降噪（NR）引脚，可进一步降低输出中的宽带噪声电压。该器件的VTRIM引脚使设计人员能够调整输出电压。 （来源：凌力尔特公司）

然而，使用这种降噪方法需要特别小心。 Linear Tech强调电解电容不适合这种用途 - 电容必须是低泄漏类型。泄漏电流仅为100 nA将严重侵蚀性能，导致输出电压出现150 ppm的误差。此外，凌力尔特公司将NR引脚称为器件上最敏感的引脚，甚至建议使用这种方法在电路板设计中使用保护环。

对于其ADR440，ADI公司（ADI）使用其拥有专有的XFET（eXtra植入式结FET）和温度校正技术，可降低噪声并增强稳定性。根据ADI，XFET比传统的带隙基准更稳定，并且需要更少的校正。反过来，这些特性转化为较低的整体噪声，因为它们减少了对复杂温度补偿电路的需求，这通常是带隙参考中的主要噪声源。这些因素的组合导致噪声精度非常低的电压基准IC：模拟的ADR440在0.1 Hz至10 Hz 1/f区域内仅显示1μVpp。

实际上，温度依赖性能是电压参考的重要问题，可以发现它是许多系统中大部分温度漂移误差预算的原因。例如，设计为在25°C至65°C的温度范围内工作的12位系统要求参考温度系数必须不低于6 ppm/°C（如果它的贡献小于1 LSB）错误（图3）。高级电压基准器件专为确保高分辨率ADC系统所需的温度稳定性而设计。例如，ADR440的温度为10 ppm/°C（A级），低至3 ppm/°C（B级），而LT1027LS8则达到2（典型值）和5（最高）ppm/°C。

图3：随着ADC分辨率的增加，电压基准需要提供相应较低的温度系数，以维持0.5 LSB（最低有效位）的误差水平。 （来源：Linear Technology）

缓冲输出

即使使用具有最佳噪声和温度特性的电压参考设备，设计人员也会发现在转换过程中会出现明显的错误，特别是在更高的速率下。在正常执行转换过程期间，ADC将从参考源汲取不同量的电流（图4）。反过来，设计人员必须确保电压参考源不受负载变化的影响。

图4：每个转换周期（顶部迹线） ADC会在电压基准上产生不同的驱动电流需求，从而需要在输出端安装精密运算放大器和电容器。 （来源：德州仪器）

为了保持稳定的参考输出，设计人员可以添加精密运算放大器，例如Linear Technology LT1097（0.5μVp-p 0.1 Hz至10 Hz噪声），以及电容器接地以进一步缓冲提供给ADC的电压参考输出。然而，在构建输出缓冲区时，设计师需要格外小心。如果输出电容和运算放大器的开环输出电阻会改变开环电压 - 增益曲线，可能会影响运算放大器的稳定性，从而可能导致性能不稳定。

ADI公司指出缓冲器当使用带有高级ADC的ADR440等外部基准电压源（如24位多通道sigma-delta AD7175-8 ADC）时，不需要这些基准电压源。通过适当的去耦，ADR440可以直接驱动AD7175-8的基准输入。实际上，模拟AD7175-8和线性LTC2345-16等高级ADC集成了带有基带隙电压基准的片上缓冲器 - 为应用设计人员提供了在应用要求不需要最高精度时降低设计复杂度的选项（图8）。

对于AD7175-8，ADI公司不仅将输出缓冲器集成到其内部参考电路中，还在两个ADC参考输入（Ref-和Ref +）上提供单独的单位增益缓冲器（图5）。/p>

图5：ADI公司的AD7175-8 sigma-delta ADC将缓冲的内部参考电压与ADC本身的参考输入上的独立缓冲器相结合。 （来源：ADI）

凌力尔特公司将集成的带隙基准与片上缓冲放大器相结合，设计人员可根据需要选择或取消选择以满足其独特要求（图6）。

图6：凌力尔特公司的LTC2345-16 SAR ADC在其集成带隙电压基准的输出端包含一个片上基准缓冲放大器。 （来源：凌力尔特公司）

使用Linear LTC2345-16，设计人员可以利用内部缓冲器来使用外部参考（图7a）或完全绕过它（图7b）。由于LTC2345-16的内部缓冲器限制为最大4.4 V，因此设计人员在使用具有5 V基准电压的ADC时需要旁路内部缓冲器，例如LT1027-5（或LTC6655-5，如图7b所示）。

图7：使用Linear LTC2345-16 ADC时，设计人员可以选择使用（A）或绕过（B）器件的集成参考缓冲器外部精密电压基准，此处显示LTC6655系列器件。由于参考缓冲器最大电压为4.4 V，因此设计人员在使用5 V基准电压源时必须绕过片内缓冲器（如图B所示）。 （来源：凌力尔特公司）

如图5和图6所示，模拟AD7175-8和线性LTC2345-6等高级ADC集成了片内带隙电压基准以及相关的缓冲器。通常，选择内部基准就像在适当的IC引脚上添加去耦电容一样简单。例如，设计人员通过简单地移除图7a中所示的外部参考电压并使用0.1μF电容替换图中所示的2.7μF电容来选择线性LTC2345-16 ADC的内部参考电压。

即使使用这些电容也是如此。各个制造商的ADC都会注意到，由于这些IC的噪声系数和温度系数较低，使用外部电压基准器件可以获得更高的精度。虽然片内参考电压的噪声规格并不总是在数据表中指定，但工程师可以找到显示与使用外部参考相关的积分非线性改善的数据（图8）。

图8：制造商通常不提供集成在ADC上的电压基准的详细特性，但数据表可能会显示对性能和精度的影响。例如，ADI公司AD7175-8 ADC的数据手册包含使用外部2.5 V基准电压源（A）和内部2.5 V基准电压源（B）描述器件的积分非线性（INL）的图表。 （来源：ADI公司）

结论

物联网传感器应用为设计人员在实现测量性能要求与简化设计要求之间的适当平衡方面提出了重大挑战。在满足这些要求时，选择基于ADC工作的电压基准是实现理想平衡的关键因素。集成在ADC中，片上电压参考源和配套缓冲器提供最简单的设计解决方案。然而，对于要求更高的物联网传感器应用，工程师可以将外部电压参考设备与降噪和缓冲策略相结合，以优化先进高分辨率ADC的测量精度。