多ADC系統(tǒng)的基準電壓設計

多模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)系統(tǒng)所能達到的精度直接取決于ADC的基準電壓。舉例來講，醫(yī)療超聲成像系統(tǒng)通常會在其接收器的波束成形電路中包含大量的ADC，常常以16、24、32等為一組。要得到最高的波束精度，需要最大限度地減小波束成形通道的誤差。如果每個獨立ADC上的基準電壓精度較差，則會影響整個系統(tǒng)的性能，此外包含多個獨立的阻性和容性負載的分布式負載也會影響系統(tǒng)的性能。有多種方案可為這種ADC陣列提供基準電壓：

獨立的片上基準：盡管這種方式為每個ADC提供了方便的本地連接，但轉(zhuǎn)換器之間的匹配度相對較差。

一個單一的外部基準電壓供給ADC陣列的所有基準輸入：這種結構允許用戶設計一個隨意精度的外部基準電壓，但仍存在由于階梯電阻中的微小變化所產(chǎn)生的誤差(每個ADC內(nèi)置一個階梯)。

一個外部基準直接驅(qū)動ADC的基準階梯抽頭：這種方式由于直接控制供給每個ADC階梯的基準電壓，因而具有最高的增益精度。然而，需要驅(qū)動(相對)較低的階梯電阻，而且很多ADC不允許接入到內(nèi)部偏置點。

ADC精度

許多應用中，增益和噪聲電平是影響ADC精度的主要因素。ADC的增益用傳輸函數(shù)的斜率表示，反映了模擬輸入與所允許的數(shù)字輸出代碼之間的關系。一種評估增益的方法是測量滿量程(FS)輸入范圍，它直接受基準電壓的控制。對于醫(yī)療超聲成像系統(tǒng)，ADC滿量程范圍的變化會導致波束成形誤差。它還會改變ADC的鉗位點—影響某些信號解調(diào)電路的重要因素。

ADC的噪聲電平確定了可利用的動態(tài)范圍，一般情況下應該盡量提高系統(tǒng)的動態(tài)范圍。ADC噪聲的基準噪聲成分可以是加性噪聲或乘積性噪聲，利用每個ADC的本地旁路電容可以很容易地濾除加性噪聲，這種方式已在大多數(shù)設計中用來優(yōu)化ADC的動態(tài)特性。

另一方面，乘積性噪聲更為隱蔽。對于超聲應用，音頻段中的基準噪聲會調(diào)制射頻段的強“靜止”信號，這種信號由超聲目標中的靜止組織產(chǎn)生。音頻調(diào)制在射頻信號上產(chǎn)生的邊帶被多普勒探測器解調(diào)，在檢波后的多普勒輸出信號中產(chǎn)生音頻干擾。

為估算超聲應用中所允許的音頻噪聲，假定將一個接近滿量程的射頻信號施加到一個10位ADC如MAX1448。該器件的動態(tài)范圍(接近60dB)預示-60dBFS的噪聲基底。將該噪聲電平折合到1Hz帶寬。對于80MHz的采樣速率，奈奎斯特帶寬為40MHz。修正因子為√(40MHz) = 76dB，這使ADC的噪聲基底成為-60dBFS - 76dBFS = -136dBFS。保守設計要求基準電壓噪聲至少低出20dB (-156dBFS)，這樣，一個+2.0V的基準電壓，其噪聲電平需低至33nVP-P (約8nVRMS/√Hz)。

多ADC陣列所需基準電壓的精度可能高于各轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部基準(例如，MAX144x轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部基準精度為±1%)。下述兩個電路可用于上述陣列的基準設計。它們帶有一路公用的低頻噪聲濾波器，利用各個ADC的本地去耦電容改善高頻噪聲抑制。

單一外部基準

基于MAX144x系列的多轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)非常適合采用一個公共的基準電壓。這些轉(zhuǎn)換器的REFIN引腳能夠直接與外部基準源連接，無需修改任何電路。而且，REFIN的高輸入阻抗(即使在多個REFIN端并聯(lián)時)僅吸取極小的負載電流。

精密基準源如MAX6062 (IC1)可提供+2.048V外部直流電平(圖1)，噪聲電壓密度為150nV/√Hz。其輸出經(jīng)過一個單極點低通濾波器(截止頻率10Hz)送入一個MAX4250這樣的運放(IC2)，并在其輸出饋入第二級10Hz低通濾波器之前進行緩沖。IC2 (MAX4250)具有低失調(diào)電壓(可獲得高增益精度)和低噪聲電平。緩沖器之后的10Hz無源濾波器衰減由電壓基準和緩沖器產(chǎn)生的噪聲。經(jīng)濾波后的噪聲密度，其中較高頻率的噪聲被降低了，能夠符合高精度ADC對噪聲電平的要求。

圖1. 超聲應用中，采用單個低噪聲基準電路驅(qū)動多達1000個ADC。

MAX144x系列的轉(zhuǎn)換器典型增益誤差為±4.4% (優(yōu)于±0.5dB)。該性能優(yōu)于超聲接收器信號通道中所有其它模塊的增益容差。因為所有有源部件由同一電源電壓驅(qū)動，因此能夠保證適當?shù)纳想?掉電順序。該方案以最少的電路獲得出色的增益匹配和非常低的噪聲電平，滿足大多數(shù)采用多路增益匹配ADC系統(tǒng)的要求。

產(chǎn)生一個精密的外部基準

對于增益匹配度要求更嚴格的應用(圖2)，MAX144x系列同樣非常適合。將REFIN引腳接模擬地可以禁止各器件的內(nèi)部基準，允許一組外部基準源直接驅(qū)動內(nèi)部基準階梯。這些電壓可具有任意的精度，ADC可跟隨它們至0.1%以內(nèi)。該系列的ADC階梯基準連接端具有4kΩ的電阻，即使在多個ADC并聯(lián)時也能夠很容易地驅(qū)動負載。

圖2. 還是在超聲應用中，采用一個精密、低噪聲的基準電路驅(qū)動多達32個ADC。

精密基準源如MAX6066 (IC1)產(chǎn)生+2.500V的直流電壓，后接10Hz低通濾波器和精密分壓器，分壓器經(jīng)過緩沖的輸出被設置為+2.0V、+1.5V和+1.0V，其精度與分壓電阻的容差有關。

這三個電壓由四運放IC2 (MAX4254)緩沖，因為它具有較低的噪聲和直流失調(diào)。各輸出電壓接10Hz低通濾波器可濾除基準電壓噪聲和緩沖放大器的噪聲，使噪聲電平低至3nV/√Hz。+2.0V和+1.0V的基準電壓將相關ADC的差分滿量程范圍設置在2VP-P。+2.0V和+1.0V緩沖器驅(qū)動它們之間的ADC內(nèi)部階梯電阻：4kΩ除以電路中的ADC個數(shù)。例如，32個ADC將從這些基準源吸取8mA電流—負載電流遠未超出IC2 (MAX4252)的容量。這種結構的增益精度由IC1 (這里是：MAX6066)的精度等級和分壓器的電阻容差確定，可以達到較高的精度。該電路每個ADC的增益匹配度為0.1% (典型值)。100Hz頻點噪聲電平低于3nV/√Hz，能夠提供出色的性能指標。與圖1相同，所有有源器件采用同一電源供電，上電或掉電時無需考慮供電順序。

運放輸出匹配度優(yōu)于0.1%，采用同樣的緩沖器和后續(xù)低通濾波器能夠支持高達32路ADC。對于需要32路以上匹配ADC的應用，建議對所有轉(zhuǎn)換器采用一個公用的電壓基準和分壓器。

總結

對于需要大量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、而且對通道間匹配度要求較高的系統(tǒng)需要認真對待其電壓基準的設計。采用同一高精度、低噪聲基準源驅(qū)動所有ADC能夠獲得高精度匹配。MAX144x系列10位ADC提供了靈活的基準輸入和出色的動態(tài)特性，不失為這種應用的首選方案。