ADC最佳SNR性能取決于輸入低噪聲信號(hào)和基準(zhǔn)電壓

▌ 引言

要獲得 ADC 的最佳 SNR 性能并不僅僅是給 ADC 輸入提供低噪聲信號(hào)，提供一個(gè)低噪聲基準(zhǔn)電壓是同等重要。雖然基準(zhǔn)噪聲在零標(biāo)度沒(méi)有影響，但是在全標(biāo)度，基準(zhǔn)上的任何噪聲在輸出代碼中都將是可見(jiàn)的。對(duì)于某個(gè)給定的 ADC，在零標(biāo)度測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍 (DR) 之所以通常比在全標(biāo)度或接近全標(biāo)度測(cè)量的信噪比 (SNR) 高出幾個(gè) dB，原因即在于此。在 ADC 的 SNR 有可能超過(guò) 140dB 的過(guò)采樣應(yīng)用中，提供一個(gè)低噪聲基準(zhǔn)電壓是特別重要。如欲實(shí)現(xiàn)這種水平的 SNR，即使是最好的低噪聲基準(zhǔn)也需要一些幫助以降低其噪聲電平。

能夠降低基準(zhǔn)噪聲的替代方案有幾種。增加旁路電容器的大小或在基準(zhǔn)輸出端上采用一個(gè)簡(jiǎn)單的低通 RC 濾波器不是良好的替代方案?；鶞?zhǔn)輸出端上一個(gè)大的旁路電容器本身不能產(chǎn)生一個(gè)足夠低的有效截止頻率。無(wú)源 RC 濾波器本身雖可提供一個(gè)低的截止頻率，但是會(huì)產(chǎn)生一個(gè)隨著采樣頻率和溫度而變化的輸出電壓。并聯(lián)多個(gè)低噪聲基準(zhǔn)的輸出是一種有效的替代方案，不過(guò)這種做法成本昂貴且功耗很大。

這里介紹的基準(zhǔn)濾波器可在不明顯損害基準(zhǔn)準(zhǔn)確度或溫度系數(shù)的情況下產(chǎn)生一個(gè)低噪聲基準(zhǔn)電壓，而且僅以適中的功耗和成本就可做到這一點(diǎn)。

▌電路描述

本例中所使用的 ADC 是 LTC2508-32 (U1)。LTC2508-32 是一款具有一個(gè)低通數(shù)字濾波器的低噪聲、低功率、32 位 SAR ADC，該濾波器具有 4 種引腳可選且范圍從 256 至 16384 的降頻采樣因子 (DF)。有必要采用一個(gè)低噪聲、低溫度漂移基準(zhǔn)以實(shí)現(xiàn) LTC2508-32 的全面性能。

在本例中采用的基準(zhǔn)是 LTC6655-5 (U2)。LTC6655-5 提供高準(zhǔn)確度 (±0.025% 最大值)、異常低的噪聲 (0.67ppm RMS 典型值) 和漂移 (2ppm/°C 最大值) 性能。即使其擁有異常低的噪聲性能，LTC6655-5 仍然降低了 LTC2508-32 的 SNR 性能。

LTC2057 (U3) 是一款抑制了 1/f 噪聲的零漂移運(yùn)放。LTC2057 具有一個(gè)小于 200pA 的輸入偏置電流 (I_B)、一個(gè) 4μV 的最大失調(diào)電壓和一個(gè) 0.015μV/°C 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/°C = 10μV/°C)。

LT6202 (U4) 是一款低噪聲、快速穩(wěn)定運(yùn)放，其擁有必要的高短路電流耐受能力，以驅(qū)動(dòng) LTC2508-32 REF 引腳上所需的 47μF 旁路電容器。

圖 1 中的電路采用 R2 和 C3 形成一個(gè) 0.8Hz 濾波器，以對(duì)基準(zhǔn) (U2) 的輸出進(jìn)行濾波。電容器 C3 應(yīng)當(dāng)是一個(gè)薄膜電容器。鉭電容器和電解電容器具有高漏泄，因而將在 R2 的兩端產(chǎn)生一個(gè)偏移。陶瓷電容器會(huì)呈現(xiàn)微音器效應(yīng)，這在低頻條件下會(huì)導(dǎo)致噪聲的增加。濾波輸出由 U3 的高阻抗輸入進(jìn)行緩沖。U3 的200pA 最大 I_B 在 R2 的兩端產(chǎn)生一個(gè)僅 2μV 的最大電壓降。這與 LTC2057 的失調(diào)電壓組合起來(lái)產(chǎn)生一個(gè) 6μV 的最大誤差，與 LTC6655-5 的 0.025% (1.25mV) 最大初始準(zhǔn)確度規(guī)格相比，這是相對(duì)微不足道。U3 和 U4 形成了一個(gè)復(fù)合放大器，其具有 LTC2057 的低失調(diào)、失調(diào)溫度系數(shù)和得到抑制的 1/f 噪聲、以及 LT6202 的快速穩(wěn)定特性。U1 的 REF 引腳從 C1 抽取電荷，抽取的電荷量隨采樣速率和輸出代碼而變化。U4 必須補(bǔ)充該電荷以保持 REF 引腳電壓的固定。R5 用于把 U4 和 C1 隔離開(kāi)來(lái)以改善 REF 引腳上的穩(wěn)定。電壓和溫度額定值較高且物理尺寸較大的陶瓷電容器具有較低的電壓系數(shù)，從而提供一個(gè)較高的有效電容。由于這個(gè)原因，C1 應(yīng)該是一個(gè) 1210 尺寸和 10V 額定電壓的 X7R 型陶瓷電容器。

圖 1：經(jīng)過(guò)濾波的 LTC6655-5 輸出使 LTC2508-32 32 位 ADC 的 SNR 增加 6dB

▌電路性能

如表 1 所示，LTC2508-32 表現(xiàn)出幾乎像理論的運(yùn)行方式，當(dāng) ADC 輸入連接在一起且REF 引腳由 LTC6655-5 直接驅(qū)動(dòng)時(shí)，降頻采樣因子每增加 4 倍，動(dòng)態(tài)范圍增大差不多 6dB。表 1 另外還顯示，當(dāng) ADC 驅(qū)動(dòng)至接近全標(biāo)度時(shí)，SNR 比 DR 小了多達(dá) 7.8dB (采用LTC6655-5 直接驅(qū)動(dòng) ADC REF 引腳)。這是由于基準(zhǔn)的噪聲所致。采用圖 1 所示電路驅(qū)動(dòng) LTC2508-32 的 REF 引腳可實(shí)現(xiàn)高達(dá) 6.1dB 的 SNR 改善幅度，如表 1 所示。

表 1：由 LTC6655-5 和經(jīng)過(guò)濾波的 LTC6655-5 直接驅(qū)動(dòng) REF 引腳時(shí) LTC2508-32 的 SNR 比較(采用圖 1 中的電路)

諸如 LTC2057 等斬波穩(wěn)定式運(yùn)放常常顯示出位于斬波頻率及其奇次諧波的音調(diào)。 LTC2057 運(yùn)用電路以把這些人為干擾抑制在遠(yuǎn)低于失調(diào)電壓。該電路與 ADC 自己的濾波器組合工作，以把任何可見(jiàn)音調(diào)從運(yùn)放的斬波頻率中消除，如圖 2 的噪聲層曲線圖所示。圖 2 中給出的曲線圖是 5 次數(shù)據(jù)捕捉的平均值，旨在使噪聲層平滑，以顯露甚至任何雜散音調(diào)最小的痕跡。

圖 2：靠近 F_S的 LTC2508-32 噪聲層顯示，采用圖 1 所示電路來(lái)驅(qū)動(dòng) REF 引腳時(shí)無(wú)雜散音調(diào)