多個ADC的基準電壓

本文討論了如何成功實現(xiàn)兩個基準電壓源電路，以滿足超聲成像應用的節(jié)省空間需求，這些應用通常需要一個基準電壓源來為多個模數(shù)轉換器（ADC）供電。最后，對兩個電路進行了測試，其結果將在以下筆記中討論。

具有多個模數(shù)轉換器（ADC）的系統(tǒng)可實現(xiàn)的精度直接取決于施加到ADC的基準電壓。例如，醫(yī)療超聲成像系統(tǒng)通常在接收器的波束成形器電子設備中包括大量ADC，通常按16、24、32等分組組織。最大光束精度要求您將此路徑中的誤差降至最低。單個ADC基準電壓精度差會降低整個系統(tǒng)的性能，分布式負載也是如此，分布式負載由許多單獨的阻性和容性負載組成。有幾種方法可以為此類ADC陣列提供基準電壓：

單獨的片內基準電壓源：雖然它提供了與每個ADC的本地連接，但該選項的轉換器之間的匹配相對較差。

施加于ADC陣列所有基準輸入的單個外部基準電壓：這種配置允許您設計任意精度的外部基準電壓，但由于電阻梯形（每個ADC內部一個梯形）之間的微小變化而產(chǎn)生誤差。

驅動ADC基準梯形圖的外部基準電壓源直接抽頭：此選項通過直接控制施加到每個ADC階梯的基準電壓來提供最大的增益精度。但是，它需要驅動梯形圖的（相對）低電阻，并且某些ADC不允許訪問該內部偏置點。

模數(shù)轉換器精度

對于許多應用，增益和噪聲電平對ADC精度有重大影響。ADC的增益由其傳遞函數(shù)的斜率表示，該斜率將模擬輸入與數(shù)字輸出代碼的允許范圍相關聯(lián)。量化增益的一種方法是測量滿量程（FS）輸入范圍，該范圍由基準電壓電平直接控制。對于醫(yī)療超聲成像系統(tǒng)，ADC滿量程范圍的變化會導致聲束形成誤差。這也改變了ADC的削波點——這種效應在某些信號解調方案中可能很重要。

ADC的噪聲電平?jīng)Q定了其可用動態(tài)范圍;此動態(tài)范圍通常應盡可能大。ADC噪聲的參考噪聲分量可以是加法或乘法。加性噪聲很容易通過各個ADC上的本地旁路電容濾除，在大多數(shù)設計中，這些電容已經(jīng)存在，以優(yōu)化ADC的動態(tài)性能。

另一方面，乘法噪聲更陰險。對于超聲應用，音頻頻譜中的參考噪聲可以調制RF頻譜中的大“靜止”信號。這種信號由超聲靶標中的靜止組織產(chǎn)生。音頻調制在RF信號上產(chǎn)生邊帶，該邊帶可由多普勒檢波器解調，從而在檢測到的多普勒輸出信號中產(chǎn)生音頻音調。

為了估算超聲應用中可容忍的音頻噪聲量，假設施加到MAX10等1448位ADC的近滿量程RF信號。該器件的動態(tài)范圍（近60dB）意味著-60dBFS的本底噪聲。該噪聲水平可以歸一化為1Hz帶寬。80MHz采樣速率的奈奎斯特帶寬為40MHz。校正因子為√（40MHz）= 76dB，使ADC的本底噪聲為-60dBFS - 76dBFS = -136dBFS。由于保守設計要求基準電壓噪聲至少低20dB（-156dBFS），因此+2.0V基準要求33nV的極低噪聲水平P-P（約 8nV有效值/√赫茲）。

具有多個ADC的陣列可能需要比每個轉換器內部電壓更精確的基準電壓（例如，MAX144x轉換器的內部基準精度為±1%）。以下兩個電路作為此類陣列的參考設計提交。它們具有單個通用低頻噪聲濾波器，并通過單個ADC上的本地去耦電容實現(xiàn)高頻噪聲抑制。

單個外部基準

基于MAX144x系列的多路轉換器系統(tǒng)非常適合與公共基準電壓配合使用。這些轉換器的REFIN引腳可以直接連接到外部基準源，無需修改任何電路。此外，REFIN的高輸入阻抗（即使是并聯(lián)連接的多個REFIN端子）僅消耗很小的負載電流。

MAX6062 （IC1）等精密電源產(chǎn)生+2.048V的外部直流電平（圖1），噪聲電壓密度為150nV/√Hz。其輸出通過1極點低通濾波器（截止頻率為10Hz）至運算放大器（IC2），如MAX4250，在輸出施加至第二個10Hz低通濾波器之前緩沖基準。IC2 （MAX4250）提供低失調電壓（用于高增益精度）和低噪聲電平。緩沖器后面的無源10Hz濾波器衰減基準電壓源和緩沖器級產(chǎn)生的噪聲。濾波后的噪聲密度在頻率越高時會降低，滿足精確ADC操作規(guī)定的噪聲水平。

圖1.對于超聲應用，單個低噪聲基準電壓源電路可驅動多達1000個ADC。

MAX144x系列轉換器的典型增益誤差為±4.4% （優(yōu)于±0.5dB）。這種性能優(yōu)于超聲接收器信號路徑中所有其他構建模塊的增益容差。請注意，由于所有有源器件均由相同的電源電壓驅動，因此可確保正確的上電/關斷時序。這種方法能夠以最少的電路實現(xiàn)出色的增益匹配和極低的噪聲水平，并且應該足以滿足許多需要多個增益匹配ADC的應用。

生成精密外部基準

對于要求更嚴格的增益匹配的應用（圖2），MAX144x系列同樣非常適合。將每個REFIN連接到模擬地可禁用每個器件的內部基準，從而允許內部基準梯由一組外部基準源直接驅動。這些電壓可以具有任意嚴格的容差，ADC通常在0.1%以內跟蹤它們。該系列ADC還在梯形基準連接上具有4kΩ電阻，即使許多ADC并聯(lián)工作，也可以輕松驅動負載。

圖2.同樣對于超聲應用，精密低噪聲基準電壓源電路可驅動多達32個ADC。

+2.500V的直流電平可由精密電源（IC1）產(chǎn)生，如MAX6066，后接10Hz低通濾波器和精密分壓器。該分壓器的緩沖輸出設置為+2.0V、+1.5V和+1.0V，精度取決于分壓電阻的容差。

這三個電壓由四通道運算放大器IC2（MAX4254）緩沖，IC10因其低噪聲和直流失調而被選中。各個電壓跟隨器連接到3Hz低通濾波器，該濾波器將基準電壓和緩沖放大器噪聲濾波至2nV/√Hz電平。+0.1V和+0.2V基準電壓將相關ADC的差分滿量程范圍設置為<>VP-P.+2.0V和+1.0V緩沖器驅動ADC之間的內部梯形電阻：4kΩ除以電路中的ADC數(shù)量。例如，32個ADC將從這些電源吸收8mA電流，負載電流完全在IC2（MAX4252）的能力范圍內。

這種配置的增益精度幾乎可以任意好，這取決于IC1的精度等級（此處為MAX6066）和分壓器中電阻的容差。在這種配置中，每個ADC的增益匹配通常為0.1%。當噪聲電平低于3nV/√Hz（100Hz時）時，該電路具有出色的性能。如圖1所示，所有有源組件的通用電源消除了上電或斷電時電源排序的任何顧慮。

當運算放大器的輸出匹配優(yōu)于0.1%時，可以復制這些緩沖器和后續(xù)低通濾波器，以支持多達32個ADC。對于需要32個以上匹配ADC的應用，強烈建議使用所有轉換器通用的基準電壓源和分壓器串。

總結

需要大量具有良好通道間匹配的數(shù)據(jù)轉換器的系統(tǒng)需要仔細設計基準電壓源系統(tǒng)。使用通用、高精度、低噪聲基準電壓源驅動所有ADC是實現(xiàn)高精度匹配的寶貴方法。MAX10x系列144位ADC具有靈活的基準輸入和出色的動態(tài)性能，是此類應用的熱門選擇。

審核編輯：郭婷