原创 模拟问答二十课---非常经典

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模拟问答二十课之一：电压基准及时间基准

所 有模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)都需要一个基准信号，通常为电压基准 。 ADC的数字输出表示模拟输入相对于它的基准的比率；DAC的数字输入表示模拟输 出相对它的基准的比率。有些转换器有内部基准，有一些转换器需要外部基准。不管怎样所 有转换器都必须有一个电压(或电流)基准。

数 据转换器的最早应用是用于缓慢变化信号的直流测量。在这种情况下，测
量 的精确定时并不重要。当今大多数数据转换器是应用在数据采集系统，在这种系统中必须处 理大量等间隔的模拟采样值，而且频谱信息与幅度信息同样重要，这里涉及到的采样频率或
时间基准(采样时钟或重建时钟)与电压基准一样重要。

电压基准

问：一个电压基准怎样才算好?

答： 电压基准与系统有关。在要求绝对测量的应用场合，其准确度受使用基准值
的准确度的限制。但是在许多系统中稳定性和重复性比绝对精度更重要；而在有些数据采集 系统中电压基准的长期准确度几乎完全不重要，但是如果从有噪声的系统电源中派生基准就
会引起误差。单片隐埋齐纳基准(如AD588和AD688)在10 V时具有1 mV初始准确度(001 %或100 ppm)，
温度 系数为15 ppm/°C。这种基准用于未调整的12位系统中有足够的准确度(1 LSB="244" ppm) ，但 还不能用于14或16位系统。如果初始误差调整到零，在限定的温度范围内可用于14位和16位 系统(AD588或AD688限定40℃温度变化范围，1 LSB="61" ppm)。

对于要求更高的绝对精度，基准的温度需要用一个恒温箱来稳定，并对照标准校准。在
许多系统中，12位绝对精度是不需要这样做的，只有高于12位分辨率才可能需要。对于准确
度较低(价格也会降低)的应用，可以使用带隙 基准。

问：这里提到的“隐埋齐纳”和“带隙”基准是什么意思?

答：这是两种最常见的用于集成电路中的精密基准。“隐埋”或表层下齐纳管比 较 稳定和精确。它是由一个具有反向击穿电压修正值的二极管组成，这个二极管埋在集成电路
芯片的表层下面，再用保护扩散层覆盖以免在表面下击穿，见图11。

硅芯片表面和芯片内部相比有较多的杂质、机械应力和晶格错位。这是产生噪声和长期
不稳定性的原因之一，所以隐埋式齐纳二极管比表层式齐纳二极管的噪声小，而且稳定得多 ，因此它被优先采用于芯片基准源上作为精密的集成电路器件。

但 是隐埋式二极管的击穿电压标称值大约为5 V或更大一些，而且为了使它处于最佳工作 状态，必须吸收几百微安的电流，所以这种方法对于必须工作在低电压并且具有低功耗的基
准 来说是不适宜的。对于这样的应用，我们宁愿用“带隙”基准。于是研制出一个具有一个正
温度系数的电压用以补偿具有负温度系数的晶体管的V be ，用来维持一个恒定的“带
隙”电压(见图12)三极管Q2发射极面积是Q1的8倍；这两个管子在R1上产生 一个正比于绝对温度的电流，一个正比于绝对温度的电压与Q1的V be 串联，产生电 压VZ，它不随温度变化并且可以被放大(见图12)，这个电压等于硅的带隙电压(外推到 绝对零度)。

带隙基准与最好的隐埋齐纳基准相比，其准确度和稳定性稍微差一点儿，但是温度特性
可优于3 ppm/°C。

问：在使用电压基准时应注意些什么问题?

答：须记住好的模拟电路设计的基本考虑是：注意在高阻抗导体上的电压降、
来自公共地线阻抗的噪声和来自不适当的电源去耦产生的噪声。考虑基准电流流动的方向， 并且对容性负载要多加小心。

问：我知道电压降和噪声的影响，但是基准是不是必须向导体电压降提供足够大的
电流影响才明显?

答： 通常基准电路内部是经过缓冲的，大多数情况可流出或流入5～10 mA电流。 有些应用需要这样大的或更大一点的电流，例如把基准作为系统的基准。另外一种情况是
激励高速闪烁式ADC的基准输入，它具有非常低的阻抗。10 mA电流流过100 mΩ阻抗，产生1 mV电压降，这可能算是比较明显的了。最高性能的电压基准，如AD588和AD688，对于它们 的输出和输出接地端采用开尔文接法(见图13)。接线时应靠近误差源周围的反馈回路避免
电压降的影响；当电流缓冲放大器被用来驱动许多负载，或吸收流到错误方向的电流时它 们也可修正增益和 失调误差。检测端应该接到缓冲放大器的输出端(最好接在负载上)。 问：什么叫开尔文接法? 答：开尔文接法(Kelvin connections)又称强制与检测接法(force and sense connections )，是用来消除电路中导线上产生的电压降影响的一种简便方法。如图14(a)所示，负载电 流 (IL)和导线电阻(R)在负载上产生一个电压误差，V ERROR =R×IL。图14(b)所示 的开 尔文接法解决了放大器的强制环路内的导线电阻和检测的负载电压所带来的问题。放大器对
负载电压的任何误差都做了修正。在图14所示的电路中放大器的输出电压实际上应该为10 V+V ERROR ，在负载上的电压却是所要求的10 V。

AD588有三个放大器用来提供开尔文接法。放大器A2专门用来接地强制检测，而独立的
放大器A3和A4可任意选用作为其它的强制检测接法的核心器件。

图13 AD588功能框图

问：“流到错误方向”是什么意思?

答： 考虑一个工作电源电压为+10
V、输出为+5 V的基准。假如它的5 V输出端 是通过
一个接地的电阻器取出的，那么电流将从基准端流出。假如电阻器不接到电源的+10 V端， 那 么电流将流入基准端。大多数基准允许电流流入或流出。但是有些基准只允许提供电流而不
吸收电流或者吸收能力比流出能力小得多。这样的器件，利用产品说明中规定的输出电流方 式可以识别，对于有相当大的净电流必须流入基准端的应用场合，就不能使用这种器件。一
个常见的例子是用一个正基准改为负基准(见图15)。

问：为什么不去买一个负基准呢?

答：因为大多数单极性电压输出的基准都是正基准。当然，两端有源基准可用于
任何极性，它们的使用方法和齐纳二极管相同(并且它们通常是带隙基准)。

对 于被用作负基准的三端正基准，它肯定会吸收电流。它的输出端连到 接地端，而它的
接地端(将成为负基准端)经过一个电阻器(或一个恒流源)接到负电源端。正电源端通常必须 接到正电源，它至少比接地端要高几伏。但有一些器件也能用二端方式提供负基准：正电源
端和输出端都接到接地端。

电阻器RS(或恒流源)必须选择适合于负电源所要求值，并且基准负载电流、接地端电流和
输出端电流都在额定范围内。







问：容性负载是怎么回事?

答： 许多基准带有输出放大器，当接上大的容性负载工作时，输出会变得不稳定
并且可能振荡。因此为了减少噪声，在基准输出端接上(几个μF或更大)的大电容是不妥当 的 ，但1～10
nF的电容常常是允许的，有一些基准(如AD588)有减少噪声端，电容可以安全地
接 上去。假如提供强制检测端，在容性负载条件下有可能改善回路动态特性。为弄清楚，请查 阅产品说明和咨询制造厂家应用工程师。即使电路是稳定的，使用大的容性负载也是不合理
的，因为这样会使基准导通时间增加。

问：电源一接通，基准能立即导通吗?

答： 决不是这样。在许多基准中驱动基准元件(齐纳管或带隙基准)的电流是从稳 定输出中分流出来的。这种正反馈增加了直流稳定性，但却产生一个阻制启动稳定的“断” 状态 。芯片内部电路为了解决这个问题并且便于启动，通常设计成吸收接近最小的电流，所以许
多基准要稍微慢一点才能达到指标(一般需要1～10 ms)。有些基准确实给出了比较快的 启动特性，但也有一些还是比较慢的。

假 如设计师需要在电源接通后要求基准电压能非常迅速地应用于电路中，就要挑选具有
足够快的导通特性的基准，并且应使降噪电容(noise reduction capacitance)最小。为了 使系统省电，基准导通延迟可能会限制数据转换
系统选通供电的机会，即使基准位于转换器芯片内部，这个问题仍然应该 考虑。另外考虑转换器的电源起动特性在这种系统中也是同样重要的。

高精度的基准在电源接通后，芯片达到热稳定之前可能需要一个额外的热稳定周期并且
使 得受热所引起的失调达到它们的最终稳定值，这种影响在产品说明中将会给出，一般不超过 几秒钟的时间。

问：能否使用高精度基准来代替内部基准使转换器更准确?

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模拟问答二十课之二：压频转换器... 6

模拟问答二十课之三：高速比较器... 10

模拟问答二十课之四：运算放大器... 13

模拟问答二十课之五：数模转换器... 18

模拟问答二十课之六：Σ
Δ模数转换器... 20

模拟问答二十课之七：数据转换器的噪声及其它问题... 29

模拟问答二十课之八：运算放大器的噪声... 38

模拟问答二十课之九：运算放大器的建立时间... 44

模拟问答二十课之十：串行数据转换器接口... 46

模拟问答二十课之十一：失调与增益调整... 54

模拟问答二十课之十二：接地问题... 58

模拟问答二十课之十三：印制线路板问题... 61

模拟问答二十课之十四：电容器的寄生作用与杂散电容... 66

模拟问答二十课之十五：放大器失真... 74

模拟问答二十课之十六：高频信号干扰... 79

模拟问答二十课之十七：电流反馈运放大器... 83

模拟问答二十课之十八：运算放大器容性负载驱动问题... 89

模拟问答二十课之十九：模拟开关与多路转换器... 94

模拟问答二十课之二十：工业测量中的噪声干扰问题... 100