過濾我們的電壓基準(zhǔn)以獲得低噪聲性能

獲得ADC的最佳SNR性能并不僅僅是給ADC輸入提供低噪聲信號(hào)的問題，提供一個(gè)低噪聲基準(zhǔn)電壓是同等重要。雖然基準(zhǔn)噪聲在零標(biāo)度沒有影響，但是在全標(biāo)度，基準(zhǔn)上的任何噪聲在輸出代碼中都將是可見的。對(duì)于某個(gè)給定的ADC，在零標(biāo)度測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍(DR)之所以通常比在全標(biāo)度或接近全標(biāo)度測(cè)量的信噪比(SNR)高出幾個(gè)dB，原因即在于此。在ADC的SNR有可能超過140dB的過采樣應(yīng)用中，提供一個(gè)低噪聲基準(zhǔn)電壓是特別重要。如欲實(shí)現(xiàn)這種水平的SNR，即使是最好的低噪聲基準(zhǔn)也需要一些幫助以降低其噪聲電平。

來自電壓基準(zhǔn)的輸出電壓的短期變化是噪聲。參考電壓噪聲出現(xiàn)在兩個(gè)頻率范圍內(nèi)：0.1 至 10 Hz 的短期峰峰值漂移和 10 Hz 至 1 kHz 的寬帶噪聲。用百萬分之幾來表示噪聲很流行，因?yàn)樵肼曤妷和ǔＥc參考電壓成正比，從而保持百萬分之幾的值相對(duì)恒定。帶隙電壓基準(zhǔn)的噪聲電壓范圍為 3 至 16 ppm，但埋藏齊納電壓基準(zhǔn)更安靜，噪聲電壓范圍為 0.1 至 0.5 ppm。噪聲隨著參考電流的增加而降低，但對(duì)于大多數(shù)參考來說，增加參考電流并不是一種選擇。因此，改善噪聲性能的途徑是外部噪聲濾波器。

我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)典型的電壓基準(zhǔn)濾波器，其中負(fù)載電流流過 R 1 ，導(dǎo)致 R 1兩端的電壓降。R 1 C 1提供濾波功能，但 R 1 兩端的電壓降 導(dǎo)致的穩(wěn)壓損失需要添加緩沖器。緩沖器將通過 R 1的電流 最大降低至 1 nA。當(dāng)您可以使用 50Ω 的 R 1 和一個(gè)陶瓷電容完成噪聲過濾時(shí)，R 1上 的壓降 為 0.05 μV，您可以忽略它。當(dāng)C 1時(shí)使用我們的電路 是一個(gè)陶瓷電容器，如果低頻斷點(diǎn)足以滿足所需的噪聲性能。緩沖器會(huì)對(duì)參考電壓產(chǎn)生噪聲，因此將其配置為具有斷點(diǎn)的低通濾波器，以消除其內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲。

當(dāng)濾波器的–3-dB 斷點(diǎn)必須很低時(shí)，這種電路配置就會(huì)出現(xiàn)一些問題。增加 R 1 具有局限性，因?yàn)樗膲航禃?huì)限制參考電壓精度。你不能使用陶瓷電容，因?yàn)樗捏w積效率很差，所以選擇鉭電容或鋁電解電容。這些電容器類型具有明顯的電流泄漏，這是其工作電壓和溫度的函數(shù)。因此，電容器泄漏電流 I CL流過 R 1，導(dǎo)致可怕的電壓降破壞調(diào)節(jié)。

將R 1封裝在反饋環(huán)路中，通過將 R 1 上的電壓降 除以大約 134 dB 的運(yùn)算放大器增益，將其影響降至最低。因此，電容器泄漏電流的影響可以忽略不計(jì)。R 1兩端的壓降 從輸出電壓擺幅中減去，但如果負(fù)載電流小于運(yùn)算放大器輸出電流能力 10 mA，則壓降小于 0.5V。運(yùn)算放大器偏置電流導(dǎo)致的 R 2上的電壓降 至關(guān)重要，因?yàn)樗鼤?huì)增加電壓參考誤差。當(dāng) R 2 為 2 kΩ，其壓降為 2 μV(1-nA 輸入偏置電流);如果這個(gè)電壓降太大，降低R 2的值。

該濾波器位于運(yùn)算放大器的輸出端，因此具有 1/2πR 1 C 1 –3-dB 斷點(diǎn)的低通濾波器 可降低電壓參考和運(yùn)算放大器的噪聲。R 2 C 2 網(wǎng)絡(luò)通過在波特圖中添加零來確保穩(wěn)定性。R 2 C 2 網(wǎng)絡(luò)會(huì)導(dǎo)致噪聲增益峰值，因此您應(yīng)該保持 R 2 C 2 =2R 1 C 1 關(guān)系以最小化放大器噪聲增益峰值。C 1A 可以是低自諧振頻率的鋁電解電容器;因此，陶瓷介電電容器C 1B與 C 1A并聯(lián) 以保持低總電抗。如果您保留峰值關(guān)系，此濾波器可以驅(qū)動(dòng)高電容負(fù)載(將它們視為 C 1的一部分)。