如何应对高分辨率转换器器件的噪声挑战

作者：Bonnie Baker，德州仪器 (TI) 高级工程师

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。

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 16位以上ADC电压参考电路

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2.05mV，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ADC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。



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