南华大学黄智伟 备战2013电子设计竞赛 选择ADC和DAC电压基准的一些考虑

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南华大学黄智伟 备战2013电子设计竞赛 选择ADC和DAC电压基准的一些考虑 因为数据转换系统的精度非常依赖于由内部或者外部直流(DC)电压基准所确定电压的精度，所以在设计一个数据转换系统时，选择电压基准源是很重要的。电压基准用来产生一个精确的输出电压值，从而确定数据转换系统的满量程输入。在ADC中，DC电压基准和模拟输入信号一起用来产生数字输出信号。在DAC中，DAC根据其输入端的数字输入信号与所选择DC基准电压一起产生一个模拟输出信号。在整个工作温度范围内，基准电压的任何误差都会严重影响ADC/DAC的线性和无杂散动态范围（SFDR）。 事实上，所有电压基准都会随着时间或者环境因素，如湿度、压力和温度而变化。因此大多数使用其内部基准的CMOS ADC和DAC，只适用于要求分辨率小于12比特的应用中。现代CMOS ADC和DAC的工作电源是3.3V或者5V，这就限制了其片内基准电压只能是一个带隙基准。通过芯片的外部基准引脚，也可以将一个外部精密电压基准与CMOS ADC或者DAC相连接。精密外部电压基准比片内带隙电压基准具有更低的温度系数、热迟滞和长期漂移。因此，在精度要求高，即14位或者16位以及更高位数的ADC/DAC的应用中，通常需要一个精密的外部电压基准。 阅读厂商的数据手册通常是可以知道精密电压基准的精度变化程度和在工作温度范围内的某些温度上的初始精度。但是，通常很难看出器件的初始精度是如何受器件其他重要参数的影响的，例如输入电压调整率、负载调整率、初始电压误差、输出电压温度系数(TC),输出电压噪声、上电后稳定时间、热迟滞、静态电流和长期稳定度等参数。 现代电压基准建立在带隙集成晶体管、掩埋齐纳二极管和结场效应晶体管基础上。每种技术都有其自身的性能特性，并且可以通过补偿网络或者外加有源电路来改进。理想的电压基准源应该具有完美的初始精度，并且在负载电流、温度和时间变化时电压保持稳定不变。但在实际应用中，设计人员必须在初始电压精度、电压温漂、迟滞以及供出/吸入电流的能力、静态电流(即功率消耗)、长期稳定性、噪声和成本等指标中进行权衡与折衷，要求什么样的指标取决于具体应用。 1. 功耗 如果设计中等精确度的系统，比如一个高效率、±5%电源或者是需要很小功率的8位数据采样系统，可以使用MAX6025或MAX6192这类器件。这两个器件都是2.5V的基准源，最大消耗电流为35µA。它们的输出阻抗非常低，因此基准电压几乎完全不受IOUT影响。 2. 供出和吸入电流 基准源供出和吸入电流能力是另一个重要指标。大多数应用都需要电压基准源为负载供电，因此要求基准源有能力提供负载所需的电流。 ADC和DAC所需要的典型基准源电流在几十μA (如MAX1110)至10mA (如AD7886)。例如，MAX6101-5系列基准源能提供5mA电流，吸入电流2mA。对于较重负载，可选择MAX6225/41/50系列基准源，它们能提供15mA的供出和吸入电流。 3. 温度系数（TC） 温度系数（也称为温漂）是指由于温度变化而引起的输出电压的变化，通常以ppm/℃为单位。它是基准电压一个非常重要的指标。 温漂通常是一个可校准的参数。它一般是可重复性的误差。通过校准或从以前得到的特性中查找取值可以实现这一误差的修正。 校准对于高分辨率系统是非常有用。例如，对于一个16位系统，如果要在整个商用温度范围(0℃至70℃，以25℃为基准点)保持精度在±1 LSB以内，该基准源的漂移必须小于1ppm/℃，ΔV = 1ppm/℃×5V ×45℃) = 255µV。相同的温度漂移扩展到工业温度范围下只能适用于14位系统。 对许多应用而言，使用温度系数小于1ppm/℃的电压基准可能就不需要再进行系统温度校准了，系统温度校准是非常耗时而又代价昂贵的。 4. 噪声 噪声通常是指随机热噪声，也可能包含闪烁噪声和其它的寄生噪声源。电压基准输出中的电子噪声包括宽带热噪声和窄带1/f噪声、宽带噪声可以使用简单的RC网络来有效地滤除。1/f噪声是基准本身所固有的且无法被滤除的噪声，频率范围是0.1~10Hz。降低1/f噪声在精密基准设计中是很重要的。 对于低噪声应用，MAX6150、MAX6250 和MAX6350基准源是很好的选择，其噪声性能分别为35µVP-P，3µVP-P和3µVP-P 。所有这些对测量引入的噪声都小于1 LSB。可以用多次采样然后取平均的方法减小噪声，其代价是增加了处理器的工作负担、提高了系统的复杂度和成本。 5. 输出电压温度迟滞 输出电压温度迟滞（也称为热迟滞系数）定义为在参考温度下(25℃)由于温度连续偏移(从热到冷，然后从冷到热)所引起的输出电压的变化。这一效应将导致负面影响，因为它的幅度直接与系统所处环境的温度偏移成比例。在许多系统中，这种误差一般不具有可重复性，受IC电路设计和封装的影响。例如，3引脚SOT23封装的基准源MAX6001，温度迟滞典型值为130ppm。而采用更大尺寸、更稳定的封装，比如SO-8的基准源MAX6190，该参数值只有75ppm。 6. 长期稳定性 长期稳定性（也称为长期漂移）定义为电压随时间的变化，通常以ppm/1000hrs为单位。它主要是由封装或系列器件中的管芯应力或离子迁移引起的。注意保持电路板的洁净度，这也是一个影响长期稳定性的因素，尤其是它会随温度和湿度的变化而变化，这一影响有时比器件内在稳定性的影响还要大。长期稳定性通常定义在25℃参考温度下。 7. 输入电压变化调整率 输入电压的变化所引起的误差。这个直流参数并没有考虑纹波电压或者线路瞬变的影响。 8. 负载调整率 负载电流变化时引起的误差与输入电压变化调整率相类以，该直流参数小包括负载瞬变所引起的影响。 任何系统的基准源选择的难点都在于在成本、体积、精确度、功耗等诸多因素的平衡与折衷。为具体设计选择最佳基准源时需要考虑所有相关参数。有趣的是，很多时候选用较贵的元件反而使系统的整体成本更低，因为它可以降低制造过程中补偿和校准的花销。 注意：在电压基准使用过程中，差的印制电路板(PCB）布线会降低电压基准的性能。不合理的布线会影响器件的输出电压、噪声和热效性能。PCB的固有应力也会传给基准电压器件，从而导致基准输出电压偏移。 9. 参考文献 （1）黄智伟.嵌入式系统中的模拟电路设计[M].北京：电子工业出版社，2011 （2）Maxim Inc.应用笔记2879选择最佳的电压基准源[EB/OL]. china.maxim-ic.com （3）Maxim Inc.应用笔记4003.串联型或并联型电压基准的选择[EB/OL]. china.maxim-ic.com

 

 

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zca123

格式不对，看着累啊

 

wgblove163

很厉害