基于精密逐次逼近型基于精密逐次逼近型ADC基准电压源设计的研究基准电压源设计的研究
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。
摘要:高分辨率、逐次逼近型摘要: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。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基准电压输入端的基准电压输入端的开开
关关电容电容具有动态负载,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。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: