电压参考电路设计关键问题

　　在您努力想要找到正确的电压参考设计时，高分辨率混频信号器件会带来一个有趣的挑战。尽管没有一款适合所有电压参考设计的通用解决方案，但是图 1 所示电路还是为您的 16 位以上的转换器提供了一款不错的解决方案。

　　图1:16 位以上ADC电压参考电路。

　　高分辨率转换器存在的一些问题是电压参考噪声、稳定性，以及该参考电路驱动转换器电压参考引脚的能力。R1、C2 和 C3 无源滤波器随电压参考噪声急剧下降。这种低通滤波器的转角频率为 1.59Hz。该滤波器可减少宽带噪声和极低频噪声。附加 R-C 滤波器使噪声水平降至20位ADC的可控范围以内。这一结果令人鼓舞。但是，如果电流受到拉力，从 ADC 参考引脚流经 R1，则压降会破坏转换，因为每个位判定 （bit decision） 都有一次压降（请参见参考文献 1）。

　　图 1 所示电路图有一个运算放大器 （op amp），旨在“隔离”C2、R1 和 C3 低通滤波器，并为 ADC 的电压参考引脚提供足够的驱动力。25℃ 时，CMOS 运算放大器 （OPA350） 的输入偏置电流为 10 pA。这一电流与 R1（10 kΩ）共同产生一个 100 nV 的恒定 DC 压降。这种水平的压降不会改变 23 位 ADC 的最终位判定。运算放大器的输入偏置电流随温度变化而改变，这是实际情况，但在 125℃ 温度下您可以预计一个不超过 10 nA 的最大电流值，其在 100℃ 温度范围产生 100 μV 的变化。

　　我们需要将 R1 的这种压降考虑进来。该压降会增加电压参考器件的误差。假设电压参考电路的初始误差为 ±0.05%，且误差温度为 3 ppm/℃。参考电压为 4.096 伏时，室温下初始电压参考误差等于 2.05 mV，125℃ 时增加 1.23 mV。图 1 所示电路中，随着运算放大器偏移和输入偏置电流误差的变化，参考电压器件占主导地位。连接至图 1 所示电路的 ADC，承受的误差是参考电压、R1 和 OPA350（增益误差）所产生误差的和。

　　运算放大器驱动一个10 μF 电容器 （C4） 和 ADC 的电压参考输入引脚。位于 C4 上的电荷提供 ADC 转换期间所需的电荷。在 AD C的数据采集和转换期间，C4 容量的大小为 ADC 的参考引脚提供一种恒定的电压参考，其通常具有约 2 到 50 pF 的输入电容。

　　图 1 所示电路中，需要注意的最后一点。C4 和运算放大器开环输出电阻 （RO） 改变放大器的开环增益 （AOL） 曲线时，您可以对放大器的稳定性做折中处理。参考文献 2 中的讨论说明了找出这一问题的过程。基本上而言，具有较好稳定性的电路是改进运算放大器 AOL 曲线和闭环电压增益曲线的闭合速率为 20dB 的电路。

　　图2：图1 所示OPA350 缓冲频率响应。

　　该稳定电路中，极点和零点的频率位置计算如下，其中 OPA350 的开环输出电阻为 50Ω （RO），而 C4 （RESR） 的 ESR 为 2 mΩ。

　　作者：Bonnie Baker，德州仪器 （TI） 高级工程师