設(shè)計(jì)說(shuō)明

本電路文檔介紹了如何使用 REF6050（REF60xx 系列）電壓基準(zhǔn)來(lái)直接驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)電容 ADC 基準(zhǔn)輸入引腳。許多不同類型的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器上的基準(zhǔn)輸入引腳都具有一個(gè)開(kāi)關(guān)電容器電路，這會(huì)產(chǎn)生顯著的瞬態(tài)電流要求。由于電壓基準(zhǔn)必須穩(wěn)定至恒定的精確電壓，因此這些瞬態(tài)可能對(duì) ADC 精度產(chǎn)生重大影響。為了響應(yīng) ADC 基準(zhǔn)輸入的瞬態(tài)，電壓基準(zhǔn)需要寬帶寬緩沖器。REF60xx 系列電壓基準(zhǔn)集成了一個(gè)寬帶寬緩沖器。該參考設(shè)計(jì)將展示 ADC 性能的測(cè)量結(jié)果，以比較低帶寬基準(zhǔn)與寬帶寬 REF6050 之間的差異。本文檔還介紹了驅(qū)動(dòng) ADC 基準(zhǔn)輸入的替代選項(xiàng)。

規(guī)格

設(shè)計(jì)說(shuō)明

1. 該電路可應(yīng)用于許多不同的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。請(qǐng)參閱數(shù)據(jù)表，以確定是否需要寬帶寬緩沖器。對(duì)于具有開(kāi)關(guān)電容器輸入的器件，REF60xx 系列基準(zhǔn)是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，因?yàn)樗蓪拵捑彌_器。對(duì)于具有集成寬帶寬緩沖器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，基準(zhǔn)帶寬并不重要；因此，請(qǐng)考慮其他參數(shù)，例如基準(zhǔn)噪聲和漂移。
2. 有關(guān)濾波電容器的選擇，請(qǐng)參閱 REF60xx (REF6050) 具有集成 ADC 驅(qū)動(dòng)器緩沖器的高精度電壓基準(zhǔn) 數(shù)據(jù)表。通常，選擇較大的電容器有助于更大程度地降低噪聲。此外，基準(zhǔn)穩(wěn)定性會(huì)受到電容器等效串聯(lián)電阻 (ESR) 的影響。
3. TI 高精度實(shí)驗(yàn)室 - ADC 視頻培訓(xùn)的驅(qū)動(dòng) SAR ADC 上的基準(zhǔn)輸入 視頻系列中詳細(xì)介紹了基準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)相關(guān)主題。此參考設(shè)計(jì)中所示的測(cè)量結(jié)果可以使用 TI 高精度實(shí)驗(yàn)室 SAR ADC 評(píng)估模塊性能演示套件 (PDK) 進(jìn)行重現(xiàn)。

基準(zhǔn)內(nèi)部的寬帶寬緩沖器

許多不同的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器都具有開(kāi)關(guān)電容器基準(zhǔn)輸入。下圖展示了此輸入的一個(gè)簡(jiǎn)化模型。該模型適用于傳統(tǒng)的 SAR ADC，但某些 Δ-Σ 轉(zhuǎn)換器也存在類似的模型。在本例中，電容 C_x 通過(guò) SW_BIT 連接并斷開(kāi)外部基準(zhǔn)。該電容器在斷開(kāi)連接后，通過(guò) SW_x 進(jìn)行復(fù)位。對(duì)于 N 位轉(zhuǎn)換器，此過(guò)程會(huì)重復(fù) N 次。這在每次電容器連接到基準(zhǔn)時(shí)都會(huì)產(chǎn)生較大的瞬態(tài)輸入電流。瞬態(tài)幅度可能為毫安級(jí)，而瞬態(tài)之間的時(shí)間間隔為納秒級(jí)。C_x 的值在轉(zhuǎn)換周期內(nèi)會(huì)不斷變化，因此瞬態(tài)幅度會(huì)發(fā)生變化（請(qǐng)參閱下面的基準(zhǔn)輸入圖）。為了獲得精確的轉(zhuǎn)換結(jié)果，基準(zhǔn)電壓必須能夠快速響應(yīng)這些瞬態(tài)。因此，該基準(zhǔn)需要寬帶寬緩沖器來(lái)實(shí)現(xiàn)超高精度。大多數(shù)基準(zhǔn)都具有內(nèi)部低帶寬緩沖器，這可能不足以實(shí)現(xiàn)出色性能。REF6050 包含一個(gè)內(nèi)部寬帶寬緩沖器，該緩沖器能夠響應(yīng)大多數(shù)具有開(kāi)關(guān)電容器基準(zhǔn)輸入的 ADC 上的瞬態(tài)。

ADC 內(nèi)部的寬帶寬緩沖器

部分?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器具有內(nèi)部寬帶寬緩沖器，旨在驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)電容器基準(zhǔn)輸入。此緩沖器的輸入為高阻抗，因此該基準(zhǔn)不需要寬帶寬輸出。ADS8900B 和 ADS8168 器件是集成寬帶寬基準(zhǔn)緩沖器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器示例。

基準(zhǔn)和 ADC 之間的分立式寬帶寬緩沖器

對(duì)于需要緩沖器的器件，可以構(gòu)建分立式基準(zhǔn)緩沖器，而不是使用具有集成緩沖器的器件（例如 REF6050）。以下電路展示了 ADS9110EVM-PDK 中使用的分立式緩沖器：該電路是一個(gè)復(fù)合放大器，因?yàn)樗Y(jié)合了兩個(gè)放大器來(lái)形成一個(gè)兼具兩者優(yōu)點(diǎn)的電路。OPA378 具有超低失調(diào)電壓，并且 OPA625 可以響應(yīng)快速瞬態(tài)。

具有和不具有基準(zhǔn)緩沖器時(shí)失真與采樣速率之間的關(guān)系

下圖比較了具有和不具有寬帶寬基準(zhǔn)緩沖器時(shí) ADC 的失真。請(qǐng)注意，在高采樣速率條件下，具有寬帶寬緩沖器的 ADC 具有明顯更高的 THD 性能。在低采樣速率條件下，緩沖器不太重要，因?yàn)榛鶞?zhǔn)有很長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)從基準(zhǔn)瞬態(tài)中恢復(fù)。

1MSPS 條件下具有和不具有基準(zhǔn)緩沖器時(shí)的 FFT

以下各圖顯示了在最大采樣速率 (1MSPS) 條件下具有和不具有寬帶寬基準(zhǔn)緩沖器時(shí)的 FFT。圖形表明，在沒(méi)有寬帶寬緩沖器的情況下，ADC 的諧波失真明顯更大。

具有和不具有基準(zhǔn)緩沖器時(shí)基準(zhǔn)穩(wěn)定時(shí)間與采樣速率間的關(guān)系

下圖比較了在具有和不具有寬帶寬基準(zhǔn)緩沖器時(shí)的 ADC 直流信號(hào)穩(wěn)定性能。穩(wěn)定性能表示一次 ADC 轉(zhuǎn)換后數(shù)字化結(jié)果中的誤差。在后續(xù)轉(zhuǎn)換中，對(duì)于恒定的直流輸入，ADC 穩(wěn)定誤差會(huì)降低。穩(wěn)定性能在多路復(fù)用系統(tǒng)中非常重要，因?yàn)樗梢院芎玫毓浪汩_(kāi)關(guān)通道時(shí)的誤差類型。請(qǐng)注意，在高采樣速率條件下，具有寬帶寬緩沖器的 ADC 具有明顯更高的穩(wěn)定性能。在低采樣速率條件下，緩沖器不太重要，因?yàn)榛鶞?zhǔn)有很長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)從基準(zhǔn)瞬態(tài)中恢復(fù)。

具有和不具有基準(zhǔn)緩沖器時(shí)基準(zhǔn)穩(wěn)定與時(shí)間之間的關(guān)系

下圖顯示了施加直流信號(hào)時(shí)最大采樣速率條件下基準(zhǔn)穩(wěn)定與時(shí)間之間的關(guān)系。請(qǐng)注意，對(duì)于不具有緩沖器的基準(zhǔn)，信號(hào)具有 9.55 個(gè)代碼的顯著瞬態(tài)穩(wěn)定誤差。該誤差需要大約 300 個(gè)樣本才能完全穩(wěn)定。

設(shè)計(jì)中采用的器件