電壓參考如何影響混合信號部分

關(guān)鍵字：模擬電路設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)換器、運(yùn)算放大器、工業(yè)、醫(yī)療、視頻

您可能會把模數(shù)轉(zhuǎn)換器或者數(shù)模轉(zhuǎn)換器缺少輸出穩(wěn)定性的原因歸咎于實(shí)際轉(zhuǎn)換器本身。畢竟，這類器件都非常復(fù)雜。但是，請不要太早下結(jié)論，因?yàn)檗D(zhuǎn)換器周圍的電路或許才是真正的罪魁禍?zhǔn)?。這種電路包括一個(gè)電壓參考，它對轉(zhuǎn)換器性能的改變要超出您的想象。

在您對轉(zhuǎn)換器的初始評估中，您可能還沒有看到電壓參考的副作用。在過去，我的 ADC 或 DAC 評估順序是先確定轉(zhuǎn)換器的數(shù)字接口狀態(tài)良好，然后檢查轉(zhuǎn)換器的輸出是否普遍代表輸入信號。之后，我再查看零輸入（轉(zhuǎn)換器噪聲）。在您測得　ADC 噪聲后，便可將輸入短路接地。利用 DAC，您可以將數(shù)字輸入編程為模擬零輸出。

此類噪聲測試花費(fèi)了大量的時(shí)間來驗(yàn)證和評估，但是我從來沒有想過使用滿量程輸入來檢查轉(zhuǎn)換器的噪聲。那個(gè)時(shí)候，對我來說這樣做實(shí)際上似乎是多余的。唉，我真是錯(cuò)失良機(jī)啊！

您會在哪里尋找 ADC 或 DAC 電壓參考誤差呢？回答這個(gè)問題的關(guān)鍵在這些器件的傳輸函數(shù)里。圖 1 中，這些函數(shù)右手邊的分子為輸入信號次數(shù) 2^N（N 為轉(zhuǎn)換器位數(shù)），而分母為以伏特為單位的電壓參考量級。2^N和 V_REF值均為常量。電壓參考值的影響與其誤差一起隨輸入信號增加而增加。

圖 1 D_OUT =ADC 輸出碼的十進(jìn)制表示，A_IN =ADC 輸入電壓，2^N = ADC 和 DAC 精度，V_REF =伏特為單位的電壓參考，D_IN =輸入數(shù)字碼的DAC十進(jìn)制表示。

對您的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器電壓參考進(jìn)行分析和評估的最佳方法是使用滿量程輸出信號。帶偏移誤差的電壓參考可產(chǎn)生 ADC 或 DAC 增益誤差。如果您的電壓參考存在噪聲，或者稍有不穩(wěn)定，則您還會看到這種噪聲或不穩(wěn)定，它們大多數(shù)都產(chǎn)生在轉(zhuǎn)換器輸出滿量程時(shí)。

ADC 的模擬輸出或 DAC 的數(shù)字結(jié)果，只能與您電路的電壓參考一樣好。因此，這里有一些您在選擇您的電壓參考源時(shí)需要注意的小技巧。

在您轉(zhuǎn)換器的電壓參考引腳處使用系統(tǒng)電源電壓僅適合于最多 8 位。請思考電源電壓來自何處。例如，DC/DC 或開關(guān)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生較好的電路 DC 輸出。然而，它們一般都有一個(gè)內(nèi)部開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，其會產(chǎn)生 DC 信號的噪聲。即使您在實(shí)施低通濾波時(shí)，DC/DC 轉(zhuǎn)換器內(nèi)部開關(guān)動(dòng)作的雜質(zhì)也可能會直接傳輸給您的 ADC 或 DAC 器件的輸出。您也可能會嘗試在 DC/DC 或開關(guān)轉(zhuǎn)換器后面使用一個(gè)線性穩(wěn)壓器。線性穩(wěn)壓器電源抑制和輸出噪聲水平得到不斷改善，但您會發(fā)現(xiàn) 10 位以上時(shí)您還是會碰到許多問題。

您轉(zhuǎn)換器的電壓參考引腳的一個(gè)更危險(xiǎn)源是您計(jì)算機(jī)的 USB 接口。USB 接口的電源電壓有依附在其上面的計(jì)算機(jī)數(shù)字噪聲。這對模擬、混合信號器件來說并不是一個(gè)好的環(huán)境。

就高精度 ADC 和 DAC 而言，最好的電壓參考策略是以一個(gè)低噪聲、穩(wěn)定、獨(dú)立的參考作為您設(shè)計(jì)的開始。對于您的轉(zhuǎn)換器參考電壓設(shè)計(jì)來說，不存在一個(gè)普遍通用的解決方案。但是，在隨后的系列文章中，我將介紹幾款與各種各樣不同的轉(zhuǎn)換器一起工作的電路。我們下次見。