ADC精密電壓基準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的測量平衡

最新的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）可提供高性能信號(hào)轉(zhuǎn)換，滿足各種應(yīng)用需求。對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)計(jì)人員來說，關(guān)鍵問題仍然是精確測量的平衡要求與最小化設(shè)計(jì)尺寸和復(fù)雜性的需求之間的關(guān)系。為實(shí)現(xiàn)這一平衡，設(shè)計(jì)人員面臨著為其應(yīng)用采用最有效電壓參考源的關(guān)鍵決策。集成在ADC中的電壓基準(zhǔn)有助于簡化設(shè)計(jì)，但當(dāng)應(yīng)用需要最佳測量精度時(shí)，外部電壓基準(zhǔn)IC通常是明智的選擇。

精確測量是物理現(xiàn)象詳細(xì)分析的物聯(lián)網(wǎng)愿景的基礎(chǔ)，精密電壓基準(zhǔn)對(duì)于精確測量至關(guān)重要。無論ADC的底層架構(gòu)如何，其操作從根本上依賴于輸入電壓與參考電壓的比較，以根據(jù)這些值創(chuàng)建適當(dāng)?shù)妮敵龃a。在理想情況下，這種關(guān)系表示為：

輸出代碼= VIN x（2 n /VREF）

其中： VIN是ADC的模擬輸入電壓，

n是ADC輸出位的數(shù)量，

VREF是提供給ADC的參考電壓的模擬值。

傳統(tǒng)的電壓參考設(shè)計(jì)圍繞帶隙參考電路構(gòu)建（圖1）。在這種傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通過對(duì)具有相反極性溫度系數(shù)的電壓分量求和來產(chǎn)生輸出，以產(chǎn)生合理的溫度穩(wěn)定性并且等于1.205V的硅帶隙電壓的輸出電壓。大多數(shù)電壓參考設(shè)計(jì)通過電路擴(kuò)展該基本設(shè)計(jì)。增加參考電壓電平并緩沖輸出以防止負(fù)載變化。

圖1：傳統(tǒng)的帶隙電壓參考電路將ΔVBE和VBE組件相加相反極性的溫度系數(shù)，產(chǎn)生一個(gè)等于硅帶隙電壓1.205 V的穩(wěn)定電壓。（來源：Analog Devices Inc.）

降低噪聲

凌力爾特公司的LT1027電壓基準(zhǔn)IC采用了另一種方法，該基準(zhǔn)采用了凌力爾特公司專有的先進(jìn)的表面齊納雙極性工藝。憑借其獨(dú)特的擊穿電壓特性，齊納二極管似乎非常適合用于電壓參考設(shè)計(jì)，但缺陷和污染會(huì)降低在半導(dǎo)體芯片表面層上制造的齊納二極管的性能。相比之下，掩埋結(jié)構(gòu)結(jié)合了齊納擊穿特性的優(yōu)點(diǎn)和改善的噪聲和穩(wěn)定性。利用這種低噪聲方法，LT1027提供了高度靈活的精密基準(zhǔn)IC，可與高分辨率ADC一起使用，例如Linear Technology LTC2345-16--一種低噪聲8通道同步采樣逐次逼近寄存器（SAR）16位ADC差分，寬，共模范圍輸入。

雖然制造商繼續(xù)努力降低噪聲，但任何半導(dǎo)體器件中的有源電路都會(huì)在1/f區(qū)域和寬帶區(qū)域產(chǎn)生噪聲電壓。電壓基準(zhǔn)的數(shù)據(jù)表通常包括0.1至10 Hz頻率范圍內(nèi)的輸出電壓噪聲規(guī)范，包括1/f區(qū)域。半導(dǎo)體制造商有時(shí)也包括寬帶區(qū)域的噪聲規(guī)范。對(duì)于LT1027電壓基準(zhǔn)，Linear Tech提供兩個(gè)區(qū)域的噪聲規(guī)格：在0.1Hz≤f≤10Hz 1/f區(qū)域，器件產(chǎn)生3μVP-P;在10 Hz至1 kHz的寬帶頻率范圍內(nèi)，它具有2.0（典型值）和6.0（最大值）μVRMS。

由于最大轉(zhuǎn)換精度要求最低噪聲水平，設(shè)計(jì)人員通常會(huì)采用不同的方法來降低噪聲。在一種常見的方法中，設(shè)計(jì)人員通過在參考輸出端添加一個(gè)具有極低轉(zhuǎn)角頻率的低通濾波器來限制寬帶噪聲。電壓參考IC制造商還提供不同的降噪選項(xiàng)。利用LT1027，設(shè)計(jì)人員可以利用器件的降噪（NR）引腳進(jìn)一步降低噪聲，該引腳帶出內(nèi)部定標(biāo)放大器的正輸入（圖2）。通過在NR引腳和地之間連接1μF聚酯薄膜電容器，設(shè)計(jì)人員可以在10 Hz至1 kHz帶寬內(nèi)將LT1027LS8的寬帶噪聲從2.0μVRMS降低至約1.2μVRMS，而不會(huì)影響器件的瞬態(tài)響應(yīng)。

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圖2：基于埋入式齊納設(shè)計(jì)，凌力爾特LT1027電壓基準(zhǔn)IC包含降噪（NR）引腳，可進(jìn)一步降低輸出中的寬帶噪聲電壓。該器件的VTRIM引腳使設(shè)計(jì)人員能夠調(diào)整輸出電壓。 （來源：凌力爾特公司）

然而，使用這種降噪方法需要特別小心。 Linear Tech強(qiáng)調(diào)電解電容不適合這種用途 - 電容必須是低泄漏類型。泄漏電流僅為100 nA將嚴(yán)重侵蝕性能，導(dǎo)致輸出電壓出現(xiàn)150 ppm的誤差。此外，凌力爾特公司將NR引腳稱為器件上最敏感的引腳，甚至建議使用這種方法在電路板設(shè)計(jì)中使用保護(hù)環(huán)。

對(duì)于其ADR440，ADI公司（ADI）使用其擁有專有的XFET（eXtra植入式結(jié)FET）和溫度校正技術(shù)，可降低噪聲并增強(qiáng)穩(wěn)定性。根據(jù)ADI，XFET比傳統(tǒng)的帶隙基準(zhǔn)更穩(wěn)定，并且需要更少的校正。反過來，這些特性轉(zhuǎn)化為較低的整體噪聲，因?yàn)樗鼈儨p少了對(duì)復(fù)雜溫度補(bǔ)償電路的需求，這通常是帶隙參考中的主要噪聲源。這些因素的組合導(dǎo)致噪聲精度非常低的電壓基準(zhǔn)IC：模擬的ADR440在0.1 Hz至10 Hz 1/f區(qū)域內(nèi)僅顯示1μVpp。

實(shí)際上，溫度依賴性能是電壓參考的重要問題，可以發(fā)現(xiàn)它是許多系統(tǒng)中大部分溫度漂移誤差預(yù)算的原因。例如，設(shè)計(jì)為在25°C至65°C的溫度范圍內(nèi)工作的12位系統(tǒng)要求參考溫度系數(shù)必須不低于6 ppm/°C（如果它的貢獻(xiàn)小于1 LSB）錯(cuò)誤（圖3）。高級(jí)電壓基準(zhǔn)器件專為確保高分辨率ADC系統(tǒng)所需的溫度穩(wěn)定性而設(shè)計(jì)。例如，ADR440的溫度為10 ppm/°C（A級(jí)），低至3 ppm/°C（B級(jí)），而LT1027LS8則達(dá)到2（典型值）和5（最高）ppm/°C。

圖3：隨著ADC分辨率的增加，電壓基準(zhǔn)需要提供相應(yīng)較低的溫度系數(shù)，以維持0.5 LSB（最低有效位）的誤差水平。 （來源：Linear Technology）

緩沖輸出

即使使用具有最佳噪聲和溫度特性的電壓參考設(shè)備，設(shè)計(jì)人員也會(huì)發(fā)現(xiàn)在轉(zhuǎn)換過程中會(huì)出現(xiàn)明顯的錯(cuò)誤，特別是在更高的速率下。在正常執(zhí)行轉(zhuǎn)換過程期間，ADC將從參考源汲取不同量的電流（圖4）。反過來，設(shè)計(jì)人員必須確保電壓參考源不受負(fù)載變化的影響。

圖4：每個(gè)轉(zhuǎn)換周期（頂部跡線） ADC會(huì)在電壓基準(zhǔn)上產(chǎn)生不同的驅(qū)動(dòng)電流需求，從而需要在輸出端安裝精密運(yùn)算放大器和電容器。 （來源：德州儀器）

為了保持穩(wěn)定的參考輸出，設(shè)計(jì)人員可以添加精密運(yùn)算放大器，例如Linear Technology LT1097（0.5μVp-p 0.1 Hz至10 Hz噪聲），以及電容器接地以進(jìn)一步緩沖提供給ADC的電壓參考輸出。然而，在構(gòu)建輸出緩沖區(qū)時(shí)，設(shè)計(jì)師需要格外小心。如果輸出電容和運(yùn)算放大器的開環(huán)輸出電阻會(huì)改變開環(huán)電壓 - 增益曲線，可能會(huì)影響運(yùn)算放大器的穩(wěn)定性，從而可能導(dǎo)致性能不穩(wěn)定。

ADI公司指出緩沖器當(dāng)使用帶有高級(jí)ADC的ADR440等外部基準(zhǔn)電壓源（如24位多通道sigma-delta AD7175-8 ADC）時(shí)，不需要這些基準(zhǔn)電壓源。通過適當(dāng)?shù)娜ヱ?，ADR440可以直接驅(qū)動(dòng)AD7175-8的基準(zhǔn)輸入。實(shí)際上，模擬AD7175-8和線性LTC2345-16等高級(jí)ADC集成了帶有基帶隙電壓基準(zhǔn)的片上緩沖器 - 為應(yīng)用設(shè)計(jì)人員提供了在應(yīng)用要求不需要最高精度時(shí)降低設(shè)計(jì)復(fù)雜度的選項(xiàng)（圖8）。

對(duì)于AD7175-8，ADI公司不僅將輸出緩沖器集成到其內(nèi)部參考電路中，還在兩個(gè)ADC參考輸入（Ref-和Ref +）上提供單獨(dú)的單位增益緩沖器（圖5）。/p>

圖5：ADI公司的AD7175-8 sigma-delta ADC將緩沖的內(nèi)部參考電壓與ADC本身的參考輸入上的獨(dú)立緩沖器相結(jié)合。 （來源：ADI）

凌力爾特公司將集成的帶隙基準(zhǔn)與片上緩沖放大器相結(jié)合，設(shè)計(jì)人員可根據(jù)需要選擇或取消選擇以滿足其獨(dú)特要求（圖6）。

圖6：凌力爾特公司的LTC2345-16 SAR ADC在其集成帶隙電壓基準(zhǔn)的輸出端包含一個(gè)片上基準(zhǔn)緩沖放大器。 （來源：凌力爾特公司）

使用Linear LTC2345-16，設(shè)計(jì)人員可以利用內(nèi)部緩沖器來使用外部參考（圖7a）或完全繞過它（圖7b）。由于LTC2345-16的內(nèi)部緩沖器限制為最大4.4 V，因此設(shè)計(jì)人員在使用具有5 V基準(zhǔn)電壓的ADC時(shí)需要旁路內(nèi)部緩沖器，例如LT1027-5（或LTC6655-5，如圖7b所示）。

圖7：使用Linear LTC2345-16 ADC時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以選擇使用（A）或繞過（B）器件的集成參考緩沖器外部精密電壓基準(zhǔn)，此處顯示LTC6655系列器件。由于參考緩沖器最大電壓為4.4 V，因此設(shè)計(jì)人員在使用5 V基準(zhǔn)電壓源時(shí)必須繞過片內(nèi)緩沖器（如圖B所示）。 （來源：凌力爾特公司）

如圖5和圖6所示，模擬AD7175-8和線性LTC2345-6等高級(jí)ADC集成了片內(nèi)帶隙電壓基準(zhǔn)以及相關(guān)的緩沖器。通常，選擇內(nèi)部基準(zhǔn)就像在適當(dāng)?shù)腎C引腳上添加去耦電容一樣簡單。例如，設(shè)計(jì)人員通過簡單地移除圖7a中所示的外部參考電壓并使用0.1μF電容替換圖中所示的2.7μF電容來選擇線性LTC2345-16 ADC的內(nèi)部參考電壓。

即使使用這些電容也是如此。各個(gè)制造商的ADC都會(huì)注意到，由于這些IC的噪聲系數(shù)和溫度系數(shù)較低，使用外部電壓基準(zhǔn)器件可以獲得更高的精度。雖然片內(nèi)參考電壓的噪聲規(guī)格并不總是在數(shù)據(jù)表中指定，但工程師可以找到顯示與使用外部參考相關(guān)的積分非線性改善的數(shù)據(jù)（圖8）。

圖8：制造商通常不提供集成在ADC上的電壓基準(zhǔn)的詳細(xì)特性，但數(shù)據(jù)表可能會(huì)顯示對(duì)性能和精度的影響。例如，ADI公司AD7175-8 ADC的數(shù)據(jù)手冊(cè)包含使用外部2.5 V基準(zhǔn)電壓源（A）和內(nèi)部2.5 V基準(zhǔn)電壓源（B）描述器件的積分非線性（INL）的圖表。 （來源：ADI公司）

結(jié)論

物聯(lián)網(wǎng)傳感器應(yīng)用為設(shè)計(jì)人員在實(shí)現(xiàn)測量性能要求與簡化設(shè)計(jì)要求之間的適當(dāng)平衡方面提出了重大挑戰(zhàn)。在滿足這些要求時(shí)，選擇基于ADC工作的電壓基準(zhǔn)是實(shí)現(xiàn)理想平衡的關(guān)鍵因素。集成在ADC中，片上電壓參考源和配套緩沖器提供最簡單的設(shè)計(jì)解決方案。然而，對(duì)于要求更高的物聯(lián)網(wǎng)傳感器應(yīng)用，工程師可以將外部電壓參考設(shè)備與降噪和緩沖策略相結(jié)合，以優(yōu)化先進(jìn)高分辨率ADC的測量精度。