标签: 基准电压

　　SAR（逐次逼近寄存器）ADC基准电压对转换精度的影响比最初想象的还要大。图1所示为理想和带增益误差的3位ADC转换器的传递方程。ADC的传递方程等于： 　　在这里，DCODE为数字输出代码，VIN为转换器的输入电压，VOS为转换器偏置电压，VREF为用于转换器的基准电压，N为ADC位数或ADC分辨率，VGE为ADC增益误差、基准输出电压误差和基准电压噪声的综合。 　　容易看到基准电压给定值对ADC绝对精度的影响。对高分辨率转换器，基准电压偏置误差通常比ADC偏置误差大，特别在过温度状态。从传递方程也注意到基准电压误差对较高输入电压转换器的结果影响更大。 　　可以用ratiometric设计减小ADC和基准电压的误差。这需要电路或微处理器校准算法中加入额外设备。记住校准算法需要每个电路的增益和偏置特性。 　　基准电压的噪声误差是不同的问题。它影响转换的SNR（信噪比）和THD（总谐波失真）。基准电压噪声影响输入电压较高的ADC转换器的SNR和THD（图2）。 　　如果转换器在基准电压引脚缺少内部缓冲器，将会引入或输出电流尖峰。转换器在转换期间使用这些电流为内 部电容充电。这个认识也许引发了在外部基准电压和ADC之间插入低噪声放大器的设计。 　　不要尝试用0V或地的输入电压测试ADC。如果希望看到转换中基准电压源的影响，尝试使用直流全范围输入，信号输入将帮助看到系统的频率响应（参看文献1）。 　　英文原文： 　　ADC voltage-reference errors impact full-scale conversions 　　By Bonnie Baker -- EDN, 11/22/2007 　　SAR (successive-appoximation-register) analog-to-digital references have more influence on conversion accuracy than you may initially think. Figure 1 shows the transfer function of an ideal 3-bit ADC and the same converter with gain error. The transfer function of an ADC is equal to: 　　where DCODE is the digital-output code, VIN is the input voltage to the converter, VOS is the converter’s offset voltage, VREF is the reference voltage applied to the converter, N is the number of ADC bits or the ADC resolution, and VGE is the combined ADC-gain error, reference-output-voltage error, and reference-voltage noise. 　　It is easy to see how the voltage reference’s specified value affects the ADC’s absolute accuracy. For high-resolution converters, the reference-offset error is usually greater than the ADC-offset error, particularly over temperature. You will also notice from the transfer function that the reference errors have more influence on the converter results with higher input voltages. 　　You can reduce the ADC and reference-source errors with a ratiometric design. This scenario may require additional devices in the circuit or a processor/microcontroller-calibration algorithm. Remember that calibration algorithms require gain and offset characterization for each circuit. 　　The reference’s noise error is a different matter. It affects the SNR (signal-to-noise ratio) and the THD (total harmonic distortion) of a conversion. The reference noise impacts the converter’s SNR and THD at higher ADC input voltages (Figure 2). 　　If the converter lacks an internal buffer at the reference pin, you will notice incoming or outcoming current spikes. The converter uses these currents during the conversion cycle to charge internal capacitors. This knowl edge may motivate you to insert a low-noise amplifier between the external reference and the ADC. 　　Don’t try to test your ADC with an input voltage of 0V or ground. If you hope to see the effects of your voltage-reference source on your conversions, try to use a dc full-scale input and then a signal input that will help you look at the system’s frequency response (Reference 1). 　　Reference 　　Oljaca, Miro and Bill Klein, “Improved Voltage Reference Circuits Maximize Converter Performance,” Texas Instruments Webinar on Demand.  　　英文原文地址： http://www.edn.com/article/CA6501081.html

　　 电路功能与优势 　　图1所示电路采用digiPOT+系列数字电位计AD5292、双通道运算放大器ADA4091-2和基准电压源ADR512，提供一种低成本、高电压、单极性DAC。该电路提供10位分辨率，输出电压范围为0 V至30 V，能够提供最高±20 mA的输出电流。AD5292可以通过SPI兼容型串行接口编程。 　　AD5292具有±1%电阻容差，因而可以与外部分压器电阻R3和R4串联，如图2和图5所示，以构建一个在缩小的输出电压范围内提供10位分辨率的游标DAC；这可以起到提高DAC灵敏度的作用，类似于增加一个与电位计串联的电阻。此外，AD5292内置一个20次可编程存储器，可以在上电时自定义输出电压VOUT。 　　本电路具有高精度、低噪声和低温度系数输出电压等特性，非常适合数字校准应用。 　 　电路描述 　　图1所示电路采用数字电位计AD5292、基准电压源ADR512和运算放大器ADA4091-2，提供一种10位、低成本、高电压DAC。本电路可保证单调性，微分非线性(DNL)为±1 LSB，积分非线性典型值为±2 LSB。 　　高压稳压器由低压基准电压源和后接的同相放大器组成，该放大器的增益由R1 与 R2的比值决定。1.200 V基准电压源ADR512具有低温度漂移、高精度和超低噪声性能。 　　确保ADR512最小工作电流的最大电阻值由公式1确定。 　　在图1和图2中，RBIAS电阻为12 kΩ，可将ADR512的偏置电流设置为2.4 mA。 　　ADA4091-2是一款运算放大器，具有低失调电压和轨到轨输出。ADR512与ADA4091配合使用，可提供低温度系数和低噪声输出电压。 　　电阻R1 和 R2 用来调整放大器的增益。U1A的输出电压V1 决定DAC的最大输出电压(VOUT)范围。可以用公式2计算电阻值。 　　图1中，所选电阻值可提供23.1的增益和27.72 V的V1 值。可以用该电压为其它电路供电，最大输出电流为17 mA。 　　图3和图4分别显示典型的积分非线性(INL)和微分非线性(DNL)曲线。在图1所示配置中，AD5292采用比率式工作方式，这意味着总电阻容差的变化不会影响性能。 　　为改善电路精度，可以用两个外部电阻降低AD5292上的基准电压，如图5所示，由此便可在有限的电压范围内提供全部10位分辨率（游标DAC）。数字电位计通常具有±20%的端到端电阻容差误差，由于数字电位计与外部电阻之间存在匹配误差，因此会影响电路精度。AD5292则具有业界领先的±1%电阻容差性能，有助于克服电阻匹配误差问题。 　　这种情况下： 　　缩小范围内的1 LSB可以通过下式计算： 　　相对于最高基准电压V1，游标DAC的等效分辨率为： 　　图6显示利用图5的游标DAC电路而获得的INL（以 V1为基准）曲线。 　　AD5292具有一个20次可编程存储器，可以在上电时将输出电压预设为特定值。 　　为了使本文所讨论的电路达到理想的性能，必须采用出色的布局、接地和去耦技术（请参考教程 MT-031 和教程 MT-101）。至少应采用四层PCB：一层为接地层，一层为电源层，另两层为信号层。 表1. 图1中单极性DAC的典型特性 　　 常见变化 　　AD5291 （8位、内置20次可编程上电存储器）和AD5293（10位、无上电存储器）均为±1%容差数字电位计，同样适合本应用。 　　4.096 V低成本基准电压源ADR5044也不失为一种选择。R1/R2比值可以根据不同的基准电压进行适当调整。