多ADC系統(tǒng)的基準(zhǔn)電壓設(shè)計(jì)

摘要：本文討論了針對(duì)超聲成像系統(tǒng)空間受限特點(diǎn)定制的兩個(gè)成功應(yīng)用的基準(zhǔn)電路，這兩個(gè)方案均采用一個(gè)基準(zhǔn)源為多個(gè)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）供電。最后，對(duì)這兩個(gè)電路進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果將在后續(xù)的應(yīng)用筆記中進(jìn)行討論。

多模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）系統(tǒng)所能達(dá)到的精度直接取決于ADC的基準(zhǔn)電壓。舉例來講，醫(yī)療超聲成像系統(tǒng)通常會(huì)在其接收器的波束成形電路中包含大量的ADC，常常以16、24、32等為一組。要得到最高的波束精度，需要最大限度地減小波束成形通道的誤差。如果每個(gè)獨(dú)立ADC上的基準(zhǔn)電壓精度較差，則會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的性能，此外包含多個(gè)獨(dú)立的阻性和容性負(fù)載的分布式負(fù)載也會(huì)影響系統(tǒng)的性能。有多種方案可為這種ADC陣列提供基準(zhǔn)電壓：

獨(dú)立的片上基準(zhǔn)：盡管這種方式為每個(gè)ADC提供了方便的本地連接，但轉(zhuǎn)換器之間的匹配度相對(duì)較差。

一個(gè)單一的外部基準(zhǔn)電壓供給ADC陣列的所有基準(zhǔn)輸入：這種結(jié)構(gòu)允許用戶設(shè)計(jì)一個(gè)隨意精度的外部基準(zhǔn)電壓，但仍存在由于階梯電阻中的微小變化所產(chǎn)生的誤差（每個(gè)ADC內(nèi)置一個(gè)階梯）。

一個(gè)外部基準(zhǔn)直接驅(qū)動(dòng)ADC的基準(zhǔn)階梯抽頭：這種方式由于直接控制供給每個(gè)ADC階梯的基準(zhǔn)電壓，因而具有最高的增益精度。然而，需要驅(qū)動(dòng)（相對(duì)）較低的階梯電阻，而且很多ADC不允許接入到內(nèi)部偏置點(diǎn)。

ADC精度

許多應(yīng)用中，增益和噪聲電平是影響ADC精度的主要因素。ADC的增益用傳輸函數(shù)的斜率表示，反映了模擬輸入與所允許的數(shù)字輸出代碼之間的關(guān)系。一種評(píng)估增益的方法是測(cè)量滿量程（FS）輸入范圍，它直接受基準(zhǔn)電壓的控制。對(duì)于醫(yī)療超聲成像系統(tǒng)，ADC滿量程范圍的變化會(huì)導(dǎo)致波束成形誤差。它還會(huì)改變ADC的鉗位點(diǎn)—影響某些信號(hào)解調(diào)電路的重要因素。

ADC的噪聲電平確定了可利用的動(dòng)態(tài)范圍，一般情況下應(yīng)該盡量提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。ADC噪聲的基準(zhǔn)噪聲成分可以是加性噪聲或乘積性噪聲，利用每個(gè)ADC的本地旁路電容可以很容易地濾除加性噪聲，這種方式已在大多數(shù)設(shè)計(jì)中用來優(yōu)化ADC的動(dòng)態(tài)特性。

另一方面，乘積性噪聲更為隱蔽。對(duì)于超聲應(yīng)用，音頻段中的基準(zhǔn)噪聲會(huì)調(diào)制射頻段的強(qiáng)“靜止”信號(hào)，這種信號(hào)由超聲目標(biāo)中的靜止組織產(chǎn)生。音頻調(diào)制在射頻信號(hào)上產(chǎn)生的邊帶被多普勒探測(cè)器解調(diào)，在檢波后的多普勒輸出信號(hào)中產(chǎn)生音頻干擾。

為估算超聲應(yīng)用中所允許的音頻噪聲，假定將一個(gè)接近滿量程的射頻信號(hào)施加到一個(gè)10位ADC如MAX1448。該器件的動(dòng)態(tài)范圍（接近60dB）預(yù)示-60dBFS的噪聲基底。將該噪聲電平折合到1Hz帶寬。對(duì)于80MHz的采樣速率，奈奎斯特帶寬為40MHz。修正因子為√（40MHz） = 76dB，這使ADC的噪聲基底成為-60dBFS - 76dBFS = -136dBFS。保守設(shè)計(jì)要求基準(zhǔn)電壓噪聲至少低出20dB （-156dBFS），這樣，一個(gè)+2.0V的基準(zhǔn)電壓，其噪聲電平需低至33nVP-P （約8nVRMS/√Hz）。

多ADC陣列所需基準(zhǔn)電壓的精度可能高于各轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部基準(zhǔn)（例如，MAX144x轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部基準(zhǔn)精度為±1%）。下述兩個(gè)電路可用于上述陣列的基準(zhǔn)設(shè)計(jì)。它們帶有一路公用的低頻噪聲濾波器，利用各個(gè)ADC的本地去耦電容改善高頻噪聲抑制。

單一外部基準(zhǔn)

基于MAX144x系列的多轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)非常適合采用一個(gè)公共的基準(zhǔn)電壓。這些轉(zhuǎn)換器的REFIN引腳能夠直接與外部基準(zhǔn)源連接，無需修改任何電路。而且，REFIN的高輸入阻抗（即使在多個(gè)REFIN端并聯(lián)時(shí)）僅吸取極小的負(fù)載電流。

精密基準(zhǔn)源如MAX6062 （IC1）可提供+2.048V外部直流電平（圖1），噪聲電壓密度為150nV/√Hz。其輸出經(jīng)過一個(gè)單極點(diǎn)低通濾波器（截止頻率10Hz）送入一個(gè)MAX4250這樣的運(yùn)放（IC2），并在其輸出饋入第二級(jí)10Hz低通濾波器之前進(jìn)行緩沖。IC2 （MAX4250）具有低失調(diào)電壓（可獲得高增益精度）和低噪聲電平。緩沖器之后的10Hz無源濾波器衰減由電壓基準(zhǔn)和緩沖器產(chǎn)生的噪聲。經(jīng)濾波后的噪聲密度，其中較高頻率的噪聲被降低了，能夠符合高精度ADC對(duì)噪聲電平的要求。

圖1. 超聲應(yīng)用中，采用單個(gè)低噪聲基準(zhǔn)電路驅(qū)動(dòng)多達(dá)1000個(gè)ADC。

MAX144x系列的轉(zhuǎn)換器典型增益誤差為±4.4% （優(yōu)于±0.5dB）。該性能優(yōu)于超聲接收器信號(hào)通道中所有其它模塊的增益容差。因?yàn)樗杏性床考赏?a target="_blank">電源電壓驅(qū)動(dòng)，因此能夠保證適當(dāng)?shù)纳想?掉電順序。該方案以最少的電路獲得出色的增益匹配和非常低的噪聲電平，滿足大多數(shù)采用多路增益匹配ADC系統(tǒng)的要求。

產(chǎn)生一個(gè)精密的外部基準(zhǔn)

對(duì)于增益匹配度要求更嚴(yán)格的應(yīng)用（圖2），MAX144x系列同樣非常適合。將REFIN引腳接模擬地可以禁止各器件的內(nèi)部基準(zhǔn)，允許一組外部基準(zhǔn)源直接驅(qū)動(dòng)內(nèi)部基準(zhǔn)階梯。這些電壓可具有任意的精度，ADC可跟隨它們至0.1%以內(nèi)。該系列的ADC階梯基準(zhǔn)連接端具有4kΩ的電阻，即使在多個(gè)ADC并聯(lián)時(shí)也能夠很容易地驅(qū)動(dòng)負(fù)載。

圖2. 還是在超聲應(yīng)用中，采用一個(gè)精密、低噪聲的基準(zhǔn)電路驅(qū)動(dòng)多達(dá)32個(gè)ADC。

精密基準(zhǔn)源如MAX6066 （IC1）產(chǎn)生+2.500V的直流電壓，后接10Hz低通濾波器和精密分壓器，分壓器經(jīng)過緩沖的輸出被設(shè)置為+2.0V、+1.5V和+1.0V，其精度與分壓電阻的容差有關(guān)。

這三個(gè)電壓由四運(yùn)放IC2 （MAX4254）緩沖，因?yàn)樗哂休^低的噪聲和直流失調(diào)。各輸出電壓接10Hz低通濾波器可濾除基準(zhǔn)電壓噪聲和緩沖放大器的噪聲，使噪聲電平低至3nV/√Hz。+2.0V和+1.0V的基準(zhǔn)電壓將相關(guān)ADC的差分滿量程范圍設(shè)置在2VP-P。+2.0V和+1.0V緩沖器驅(qū)動(dòng)它們之間的ADC內(nèi)部階梯電阻：4kΩ除以電路中的ADC個(gè)數(shù)。例如，32個(gè)ADC將從這些基準(zhǔn)源吸取8mA電流—負(fù)載電流遠(yuǎn)未超出IC2 （MAX4252）的容量。這種結(jié)構(gòu)的增益精度由IC1 （這里是：MAX6066）的精度等級(jí)和分壓器的電阻容差確定，可以達(dá)到較高的精度。該電路每個(gè)ADC的增益匹配度為0.1% （典型值）。100Hz頻點(diǎn)噪聲電平低于3nV/√Hz，能夠提供出色的性能指標(biāo)。與圖1相同，所有有源器件采用同一電源供電，上電或掉電時(shí)無需考慮供電順序。

運(yùn)放輸出匹配度優(yōu)于0.1%，采用同樣的緩沖器和后續(xù)低通濾波器能夠支持高達(dá)32路ADC。對(duì)于需要32路以上匹配ADC的應(yīng)用，建議對(duì)所有轉(zhuǎn)換器采用一個(gè)公用的電壓基準(zhǔn)和分壓器。

總結(jié)

對(duì)于需要大量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、而且對(duì)通道間匹配度要求較高的系統(tǒng)需要認(rèn)真對(duì)待其電壓基準(zhǔn)的設(shè)計(jì)。采用同一高精度、低噪聲基準(zhǔn)源驅(qū)動(dòng)所有ADC能夠獲得高精度匹配。MAX144x系列10位ADC提供了靈活的基準(zhǔn)輸入和出色的動(dòng)態(tài)特性，不失為這種應(yīng)用的首選方案。