電壓基準(zhǔn)濾波器將32位ADC SNR提高6dB：ADI設(shè)計(jì)說(shuō)明

從ADC獲得最佳SNR性能不僅僅是為ADC輸入提供低噪聲信號(hào)。提供低噪聲參考電壓同樣重要。雖然參考噪聲在零電平時(shí)不起作用，但在滿量程時(shí)，參考電平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，在零標(biāo)度下測(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）好幾個(gè)dB。在ADC的SNR可能超過(guò)140dB的過(guò)采樣應(yīng)用中，提供低噪聲參考電壓尤為重要。要在這個(gè)級(jí)別獲得SNR，即使是最好的低噪聲基準(zhǔn)也需要一些幫助來(lái)降低它們的噪聲水平。

有幾種方法可以降低參考噪音。增加旁路電容的大小或在參考輸出上使用簡(jiǎn)單的低通RC濾波器都不是好的選擇。參考輸出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(wú)源RC濾波器本身在提供低截止頻率的同時(shí)，將產(chǎn)生隨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，但它很昂貴并且消耗很多功率。

此處演示的參考濾波器可產(chǎn)生低噪聲參考電壓，而不會(huì)嚴(yán)重影響參考精度或溫度系數(shù)，因此只需適度的功耗和成本。

電路描述

本例中使用的ADC是LTC2508-32（U1）。LTC2508-32是一款低噪聲，低功耗，32位SAR ADC，帶有一個(gè)低通數(shù)字濾波器，具有從256到16384的四個(gè)引腳可選的下采樣因子（DF）。低噪聲，低溫度漂移基準(zhǔn)對(duì)實(shí)現(xiàn)LTC2508-32的完整性能。

本例中使用的參考是LTC6655-5（U2）。LTC6655-5提供高精度（最大±0.025％），極低的噪聲（0.67ppm RMS典型值）和漂移（2ppm /°C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。

LTC2057（U3）是一款具有抑制1 / f噪聲的零漂移運(yùn)算放大器。LTC2057的輸入偏置電流（IB）小于200pA，最大偏移電壓為4μV，最大偏移電壓溫度系數(shù)為0.015μV/°C。這顯著低于LTC6655-5的溫度系數(shù)（2ppm /°C =10μV/°C）。

LTC2057

（U3）是抑制1 / f噪聲的零漂移運(yùn)算放大器。該

LTC2057

具有小于200pA的輸入偏置電流（IB），最大偏移電壓為4μV，最大偏移電壓溫度系數(shù)為0.015μV/°C。這顯著低于LTC6655-5的溫度系數(shù)（2ppm /°C =10μV/°C）。

LT6202（U4）是一款低噪聲，快速建立運(yùn)算放大器，具有驅(qū)動(dòng)LTC2508-32的REF引腳所需的47uF旁路電容所需的高短路電流能力。

圖1的電路使用R2和C3對(duì)基準(zhǔn)（U2）的輸出進(jìn)行濾波，形成一個(gè)0.8Hz的濾波器。電容器C3應(yīng)該是薄膜電容器。鉭電容和電解電容具有較高的泄漏，會(huì)在R2上產(chǎn)生偏移。陶瓷電容器可能會(huì)出現(xiàn)噪聲效應(yīng)，導(dǎo)致低頻噪聲增加。濾波后的輸出由U3的高阻輸入緩沖。U3的最大200pA IB導(dǎo)致R2上的最大電壓降僅為2μV。這與LTC2057的失調(diào)電壓相結(jié)合，產(chǎn)生6μV的最大誤差，與LTC6655-5的最大初始精度規(guī)格0.025％（1.25mV）相比，這是相對(duì)較小的。U3和U4構(gòu)成一個(gè)復(fù)合放大器，具有低失調(diào)，失調(diào)溫度系數(shù)和LTC2057的抑制1 / f噪聲以及LT6202的快速建立時(shí)間。U1的REF引腳從C1中提取電荷，隨采樣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引腳的穩(wěn)定性。具有較高電壓和額定溫度的體積較大的陶瓷電容器具有較低的電壓系數(shù)，可提供較高的有效電容。出于這個(gè)原因，C1應(yīng)該是1210尺寸和10V額定值的X7R。

LTC2057

的偏移電壓，產(chǎn)生6μV的最大誤差，與LTC6655-5的最大初始精度規(guī)格0.025％（1.25mV）相比，這是相對(duì)微不足道的。U3和U4組成一個(gè)復(fù)合放大器，具有低失調(diào)，失調(diào)溫度系數(shù)和抑制的1 / f噪聲

LTC2057

以及LT6202的快速建立。U1的REF引腳從C1中提取電荷，隨采樣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引腳的穩(wěn)定性。具有較高電壓和額定溫度的體積較大的陶瓷電容器具有較低的電壓系數(shù)，可提供較高的有效電容。出于這個(gè)原因，C1應(yīng)該是1210尺寸和10V額定值的X7R。

電路性能

如表1所示，LTC2508-32具有接近理論上的性能，對(duì)于下采樣因子（DF）的每增加4倍，動(dòng)態(tài)范圍增加近6dB，ADC輸入連接在一起，REF引腳直接由LTC6655- 5。表1另外顯示，當(dāng)ADC驅(qū)動(dòng)在滿量程附近時(shí)，使用LTC6655-5直接驅(qū)動(dòng)ADC REF引腳的SNR與DR相比降低了7.8dB。這是由于參考的噪音。如表1所示，使用圖1的電路來(lái)驅(qū)動(dòng)LTC2508-32的REF引腳，可以將SNR提高至6.1dB。

斬波器穩(wěn)定運(yùn)算放大器（如LTC2057）通常在斬波頻率和奇次諧波處呈現(xiàn)色調(diào)。LTC2057利用電路將這些偽像抑制得遠(yuǎn)低于失調(diào)電壓。該電路與ADC自身的濾波器結(jié)合起來(lái)，可消除運(yùn)放的斬波頻率中的任何可見音調(diào)，如圖2的噪聲底圖所示。圖2的曲線是五次數(shù)據(jù)捕獲的平均值，試圖平滑本底噪聲甚至可以顯示任何雜散音的最小跡線。

LTC2057

通常在斬波頻率和其奇次諧波處呈現(xiàn)色調(diào)。該

LTC2057

利用電路來(lái)抑制這些偽影

結(jié)論

我們演示了一種濾波器電路，可以在不影響精度或溫度系數(shù)的情況下降低參考輸出噪聲，同時(shí)只需要適度的功耗和成本。將該電路的輸出應(yīng)用于LTC2508-32的參考引腳，32位低噪聲ADC在一定范圍的下采樣因子下將信噪比提高了6.1dB，與直接使用參考電壓驅(qū)動(dòng)ADC相比，SNR提高了6.1dB。