基于精密逐次逼近型ADC基准电压源设计

       摘要：高分辨率、逐次逼近型ADC的整体精度取决于精度、稳定性和其基准电压源的驱动能力。ADC基准电压输入端的开关电容具有动态负载，因此基准电压源电路必须能够处理与时间和吞吐速率相关的电流。某些ADC片上集成基准电压源和基准电压源缓冲器，但这类器件在功耗或性能方面可能并非最佳--通常使用外部基准电压源电路才可达到最佳性能。本文探讨基准电压源电路设计中遇到的挑战和要求。

　　1 基准电压输入

　　逐次逼近型ADC的简化原理图见图1.采样间隔期间，容性DAC连接至ADC输入，并且与输入电压成比例的电荷被存储在电容器中。转换开始后，DAC从输入端断开。转换算法逐个开关每一位至基准电压或地。电容上的电荷再分配可导致电流流入或流出基准电压源。动态电流负载是ADC吞吐速率和控制位检验的内部时钟的函数。最高有效位（MSB）保持大部分的电荷，需要大部分电流。

　　图1. 16位逐次接近型ADC原理简化图

　　图2显示AD7980、16位、1 MSPS、PulSAR® 逐次逼近型ADC基准电压输入端的动态电流负载。通过观察基准电压源和基准电压引脚之间500 Ω电阻上的电压降，得出测量值。曲线显示电流尖峰高达2.5 mA,并且在整个转换期间分布着较小的尖峰。

　　图2. AD7980动态基准电流

　　若要支持该电流，同时保持基准电压的无噪声特性，需在尽可能靠近基准电压输入放置一个高数值、低ESR的储能电容，通常为10 µF或更大。较大的电容会进一步平滑电流负载，并降低基准电压源电路的负担，但极大的电容会产生稳定性问题。基准电压源必须要能提供灌满基准电容所需的平均电流，而不会导致基准电压下降过大。在ADC数据手册中，基准输入电流平均值通常在特定的吞吐速率下指定。例如，在AD7980数据手册中，将1 MSPS下5 V基准电压源的平均基准电流指定为330 µA典型值。两次转换之间不消耗电流，因此基准电流随吞吐速率成线性变化，在100 kSPS时降至33 µA.基准电压源--或基准电压缓冲器--在最高的目标频率下必须具有足够低的输出阻抗，以便在ADC输入端保持电压水平，使电压不至于因为电流而产生太大的压降。

　　2 基准电压源输出驱动

　　图3显示典型的基准电压源电路。基准电压源可集成具有足够驱动电流的缓冲器，也可采用适当的运算放大器作为缓冲器。为避免转换误差，特定吞吐速率下所需的平均电流不应使基准电压下降超过½ LSB.该误差在突发转换中最为明显，因为此吞吐速率下基准负载将从零变化到平均基准电流。

　　图3. 典型精密逐次逼近型ADC基准电压源电路

　　AD7980为16位ADC,其IREF = 330 µA,VREF = 5 V;使用该ADC作为确定基准电压源是否具有足够驱动能力的示例，则对于½ LSB压降，最大允许输出阻抗为：

　　大部分基准电压源不指定输出阻抗，但会指定负载调整率，通常以ppm/mA表示。将其乘以基准电压并除以1000即可转换为输出阻抗。例如，ADR435超低噪声XFET® 5 V基准电压源指定流出电流时的最大负载调整率为15 ppm/mA.转换为电阻，可得：

　　因此，就输出阻抗而言，ADR435应该足够了。它可流出的最大电流为10 mA,足够处理330 µA的平均基准电流。当ADC输入电压超出基准电压，哪怕只有很短的一段时间，它也会向基准电压源注入电流，因此基准电压源必须要能吸取一定量的电流。图4显示ADC和基准电压输入之间的二极管连接，在输入超量程条件下它可造成电流流入基准电压源。与某些老的基准电压源不同，ADR435能吸收10 mA电流。

　　图4. AD7980模拟输入结构

　　由于基准电流的参数要求与吞吐速率成线性关系，较低的吞吐速率或使用较低吞吐率的ADC（如500 kSPS AD7988-5或100 kSPS AD7988-1（IREF = 250 µA）时，可采用较高输出阻抗（功耗较低）的基准电压源。通过降低基准电流，可算出最大输出阻抗。请注意，这些公式仅作参考准则，对选择的基准电压源必须测试硬件驱动能力。

　　当所选基准电压源的驱动能力不够时，或者首选微功耗基准电压源时，可使用基准电压缓冲器。可通过将适当的运算放大器配置为单位增益而实现。运算放大器必须具有低噪声和适当的输出驱动能力，并且要能够稳定工作在较大容性负载下。它还必须要能提供所需电流。通常不指定运算放大器的输出阻抗，但一般可通过输出阻抗与频率的关系图确定，如图5中的AD8031 80 MHz轨到轨运算放大器所示。

图5. AD80