基準(zhǔn)電壓源濾波器將32位ADC SNR提高6dB

從ADC獲得最佳SNR性能不僅僅是向ADC輸入提供低噪聲信號(hào)的問題。提供低噪聲基準(zhǔn)電壓同樣重要。雖然基準(zhǔn)噪聲在零電平時(shí)沒有影響，但在滿量程時(shí)，基準(zhǔn)電壓源上的任何噪聲都將在輸出代碼中可見。這就是為什么對(duì)于給定的ADC，在零電平下測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍（DR）通常比在滿量程或接近滿量程時(shí)測(cè)量的信噪比（SNR）好幾dB。在過采樣應(yīng)用中，提供低噪聲基準(zhǔn)電壓尤為重要，因?yàn)锳DC的SNR可能超過140dB。為了達(dá)到這一水平的SNR，即使是最好的低噪聲基準(zhǔn)電壓源也需要一些幫助來降低其噪聲水平。

有幾種替代方法可以降低基準(zhǔn)噪聲。增加旁路電容的尺寸或在基準(zhǔn)輸出上使用簡(jiǎn)單的低通RC濾波器都不是好的選擇?；鶞?zhǔn)輸出端上的大旁路電容本身不能產(chǎn)生足夠低的截止頻率以使其有效。無源RC濾波器本身雖然提供低截止頻率，但會(huì)產(chǎn)生隨采樣頻率和溫度變化的輸出電壓。并聯(lián)多個(gè)低噪聲基準(zhǔn)電壓源的輸出是一種有效的替代方案，但它價(jià)格昂貴且消耗大量功率。

此處演示的基準(zhǔn)電壓源濾波器可產(chǎn)生低噪聲基準(zhǔn)電壓，而不會(huì)顯著影響基準(zhǔn)電壓精度或溫度系數(shù)，并且功耗和成本適中。

電路說明

本例中使用的ADC是LTC2508-32 （U1）。LTC?2508-32 是一款低噪聲、低功率、32 位 SAR ADC，內(nèi)置一個(gè)低通數(shù)字濾波器，該濾波器具有 256 至 16384 的四個(gè)引腳可選下采樣因子 （DF）。為了實(shí)現(xiàn) LTC2508-32 的全部性能，需要一個(gè)低噪聲、低溫度漂移基準(zhǔn)。

本例中使用的基準(zhǔn)是LTC6655-5 （U2）。LTC6655-5 提供了高準(zhǔn)確度 （最大值為 ±0.025%）、超低噪聲 （0.67ppm RMS 典型值） 和漂移 （2ppm/oC 最大值） 性能。即使具有極低的噪聲性能，LTC6655-5 仍然會(huì)降低 LTC2508-32 的 SNR 性能。

LTC?2057 （U3） 是一款零漂移運(yùn)放，具有抑制 1/f 噪聲的功能。LTC2057 具有一個(gè)小于 200pA 的輸入偏置電流 （IB）、一個(gè) 4μV 的最大失調(diào)電壓和一個(gè) 0.015μV/oC 的最大失調(diào)電壓溫度系數(shù)。這明顯低于 LTC6655-5 的溫度系數(shù) （2ppm/oC=10μV/oC）。

LT?6202 （U4） 是一款低噪聲、快速建立運(yùn)放，具有驅(qū)動(dòng) LTC2508-32 的 REF 引腳上所需的 47μF 旁路電容器所需的高短路電流能力。

圖1電路使用R2和C3對(duì)基準(zhǔn)電壓源（U2）的輸出進(jìn)行濾波，形成一個(gè)0.8Hz濾波器。電容器C3應(yīng)為薄膜電容器。鉭電容和電解電容具有高泄漏，會(huì)在R2上產(chǎn)生偏移。陶瓷電容器會(huì)表現(xiàn)出微音效應(yīng)，導(dǎo)致低頻時(shí)噪聲增加。濾波輸出由U3的高阻抗輸入緩沖。U3的最大IB為200pA，R2兩端的最大壓降僅為2μV。這與 LTC2057 的失調(diào)電壓相結(jié)合，產(chǎn)生了 6μV 的最大誤差，與 LTC6655-5 的最大初始準(zhǔn)確度規(guī)格 0.025% （1.25mV） 相比，該誤差相對(duì)較小。U3 和 U4 構(gòu)成一個(gè)復(fù)合放大器，該放大器具有 LTC2057 的低失調(diào)、失調(diào)溫度系數(shù)和抑制的 1/f 噪聲以及 LT6202 的快速建立。U1的REF引腳從C1汲取電荷，該電荷隨采樣速率和輸出代碼而變化。U4必須補(bǔ)充此電荷以保持REF引腳電壓固定。R5用于將U4與C1隔離，以改善REF引腳的建立。物理上較大的陶瓷電容器具有更高的電壓和溫度額定值，具有較低的電壓系數(shù)，從而提供更高的有效電容。因此，C1 應(yīng)為 X7R，尺寸為 1210，額定電壓為 10V。

電路性能

如表 1 所示，LTC2508-32 表現(xiàn)出近乎理論的行為，當(dāng) ADC 輸入連接在一起并由 LTC6655-5 直接驅(qū)動(dòng) REF 引腳時(shí)，下采樣因數(shù) （DF） 每增加 4 倍，動(dòng)態(tài)范圍就會(huì)增加近 6dB。表 1 還顯示，當(dāng) ADC 接近滿標(biāo)度時(shí)，使用 LTC6655-5 直接驅(qū)動(dòng) ADC REF 引腳時(shí)，與 DR 相比，SNR 低了 7.8dB。這是由于參考的噪聲造成的。如表 1 所示，使用圖 1 所示電路來驅(qū)動(dòng) LTC2508-32 的 REF 引腳可使 SNR 改善高達(dá) 6.1dB。

斬波穩(wěn)定運(yùn)放（如 LTC2057）在斬波頻率及其奇次諧波時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)音調(diào)。LTC2057 利用電路來抑制這些遠(yuǎn)低于失調(diào)電壓的偽影。該電路與ADC自身的濾波器相結(jié)合，可消除運(yùn)算放大器斬波頻率中的任何可見音調(diào)，如圖2的本底噪聲圖所示。圖2的曲線是5次數(shù)據(jù)捕獲的平均值，試圖平滑本底噪聲，以揭示任何雜散音調(diào)的最小跡線。

結(jié)論

結(jié)果表明，一種濾波電路可在不影響其精度或溫度系數(shù)的情況下降低基準(zhǔn)輸出噪聲，同時(shí)只需要適度的功耗和成本。將該電路的輸出施加到 LTC2508-32 的基準(zhǔn)引腳，與直接使用該基準(zhǔn)驅(qū)動(dòng) ADC 相比，一個(gè) 32 位低噪聲 ADC 在一系列下采樣因子范圍內(nèi)將 SNR 提高了多達(dá) 6.1dB。

審核編輯：郭婷