ADC 信号调理电路设计——应用背景和电路设计

波器，滤除基准源供电3.3V 上可能存在的高频干扰。

1. 低噪声和低输出阻抗

基准电压源芯片使用低成本NCP431，输出噪声10uVpp，输出阻抗0.2Ω。噪声值用于12 位精度已经足够低，但动态输出阻抗0.2Ω 偏大。利用图2.5 中储能或去耦电容C2、C1的低高频阻抗，提供ADC 转换时基准源管脚上的瞬间高频电流，能非常好地解决基准源高频输出阻抗问题。

需要注意VREF 管脚上的10uF电容C2 不是旁路电容，而是SAR型ADC 的一部分，这个大电容不适合放在硅片上。在位判断期间，由于各输出位会在数十纳秒或更快的时间内建立，因此该储能电容是用来补充开关电容阵列的，从而与内部电容阵列上已有电荷一起平衡比较器。此大容值储能电容需要满足ADC 位判断建立时间要求。为了降低它的高频ESR，C2 优先选用X5R 材质贴片陶瓷电容，确保靠近基准源管脚VREFP 放置，并且在接近VREFN 模拟地管脚处接地，详见图2.6。

图2.6 VREF 管脚储能电容与芯片在/不在同一面的放置方法

2.  静态工作电流

NCP431 是并联型基准，原理类似稳压二极管，只能吸收电流，详见图2.7。在提供负载电流时，维持基准源两端电压不变，使流过限流电阻R1 的总电流不变，调节基准源自身的静态电流减小，使得负载上的电流增加。需计算R1 取值，保证在最大负载电流情况下，有最够的剩余静态电流。

图2.7 并联型的静态工作电流

NCP431 手册中的最小静态电流I(KA)min 为1mA，NCP431 输出电压调节电阻R2、R3 所吸收电流I(FB)为0.5mA，LPC82x 的REF 管脚所吸收平均电流I(REF)，约为100uA，留出裕量取1.5mA。总的静态电流取3mA，算得决定静态工作电流R1 的阻值：

3.  输出电压选择

根据LPC82x 手册，为了获得最佳性能，VREFP 和VREFN 应当选择与VDD 和VSS 相同的电压电平。若VREFP 和VREFN 选择不同于VDD 和VSS 的值，则应当确保电压中间值是相同的：

实际测试发现基准电压设置到3.0V 精度最理想，若再升高至接近LPC82x 的电源电压3.3V，因为接近电源轨，ADC 的INL 实测值开始下降，因此标准电路中使用R2、R3 将NCP431的输出电压调整到此值，计算如下：

4.  温漂与直流精度

温漂和初始直流精度是基准源芯片的固有参数，温漂越低初始精度越高，成本越高，温漂25ppm 以下的基准几乎都已经超过LPC82x 芯片自身成本，详见表2.2。

表2.2 基准电压源参数与成本

综合考虑NCP431 是相对合适的选择，它是ONSemi 对TL431 的改进版本，最大温漂由原92 ppm/℃改进为50 ppm/℃，初始准确度优于0.5%。以25℃为参考温度，在-40℃~+85℃范围内，该温漂值引入的误差约为0.3%，基本符合12 位ADC 采集精度的应用。

需要注意标准化电路中R2、R3 影响NCP431 的温漂，应该选择低温漂系数25ppm以下电阻。如果考虑节省成本或者没有可选电阻，为了不影响基准温漂，使用如图2.8 所示的2.5V 输出电路替代。

图2.8 不使用外部电阻的NCP431 基准源电路

基准电压由3V 下降至2.5V 之后，对LPC82x 内部ADC 的INL 会有轻微影响。

>>> 2.2.2 低噪声模拟电源

为避免从电源端口串入干扰，需要低噪声的供电电源。利用线性稳压器的纹波抑制比，可以从通常的数字环境开关电源获得此低噪声电源，详见图2.9。

图2.9 低噪声模拟电源电路

使用FB2、R4、C5 所组成的无源滤波网络，可以有效改善1117 在高频段纹波抑制比下降的问题，实现从低频至高频的纹波噪声抑制。其中R3 与C5 形成截止频率1.59KHz 的低通滤波器，使得3.3V 电源上常见的100kHz 以上开关电源纹波干扰衰减10dB 以上。磁珠FB2 在高频时呈现高阻抗，结合C5 在高频时形成更高衰减倍数的低通滤波器，有效滤除3.3V电源上尖峰毛刺噪声。

线性稳压器使用SPX1117，纹波抑制比曲线详见图2.10，在低频至10kHz 频段有接近-60dB 的良好纹波抑制比，100kHz 之后快速下降。

图2.10 SPX1117 的纹波抑制比

线性稳压器U2 应该靠近LPC82x 放置，其他数字电路不共用MCU 的3.3V 电源，如果考虑成本需要共用，数字部分电源单独用LC 滤波电路隔离。

>>> 2.2.3 瞬态驱动

SAR 型ADC 输入端在采样期间具有瞬间充电过程，如果不处理信号源阻抗与内部采样电容的建立时间问题，不管是微处理器中内置的还是外置的ADC，都得不到最好的输出精度。标准化电路中使用运放加RC 组合电路详见图2.11。

图2.11 内部ADC 输入端瞬态驱动电路

通过典型SAR 型ADC 输入端等效电路，有助于理解瞬态驱动电路。如图2.12 所示输入端等效为一个