2 参考驱动器拓扑概述

大家好！ 欢迎观看 TI 高精度实验室系列，其中 涵盖 SAR ADC 的电压基准注意事项。 该部分的目标是深入了解 在基准和ADC 输入之间 使用宽带宽缓冲器的重要性。 我们将比较和对照测量的 结果，从而展示缓冲器的重要性。 最后，我们将重点了解一些具有集成 缓冲器的器件，这些器件可用于 简化您的设计。 在本视频中，我将提供不同 SAR ADC 基准驱动电路拓扑的概述。 首先，我们将定义什么是基准缓冲器。 然后，我们将比较经缓冲的基准和未经缓冲的基准。 最后，我们还将了解某些器件如何集成 基准缓冲器。 “基准缓冲器”一词用于描述 在基准和 ADC输入之间 使用的宽带宽放大器。 基准缓冲器可以满足开关电容器 ADC 基准输入上极快的瞬态电流 要求。 请注意，基准输入的多个瞬态 可能具有毫安级的振幅和纳秒级的间隔。 除了具有宽带宽之外，良好的基准缓冲器需要 在整个频率范围内具有低输出阻抗。 此外，它们需要能够拉取和灌入 相对较大的电流 -- 例如 正负 10 毫安。 还应注意，任何基准缓冲器都需要具有 良好的直流性能。 也就是说，基准缓冲器需要 具有较低的失调电压和温漂。 最后，基准缓冲器可以 集成到基准中， 也可以是外部放大器。 此处显示的图中展示了一个外部 放大器缓冲器。 请注意，所有串联电压基准都会具有某种类型的 内部缓冲器。 不过，在许多情况下，该缓冲器 没有足够的带宽或电流 驱动能力来直接驱动 ADC 基准输入 并实现良好的趋稳性能。 因此，当我们在该演示中 提及基准缓冲器时， 我们专指能够驱动SAR ADC 基准输入和 实现良好趋稳性能的 宽带宽缓冲器。 下图显示了一个使用外部 宽带宽放大器进行缓冲的基准。 您可能要问的下一个合乎逻辑的问题是， 何时需要基准缓冲器？ 是否需要缓冲器主要取决于两个 因素，即基准的输出驱动能力 和 SAR ADC输入电流需求。 SAR 基准输入电流需求往往 是 ADC 的采样率和分辨率的函数。 随着采样率增大，平均基准输入 电流需求往往会增大。 您应该知道传统SAR ADC 中的基准 输入电流不是静态或恒定的 直流电流，这一点很重要。 相反，在作出二进制加权 位决策时，基准输入 电流包含快速电流瞬态。 我们稍后将更详细地介绍这一点。 另请注意，分辨率越高的 SAR ADC 往往具有越严苛的基准规格。 这是因为基准电压输入必须 保持稳定，并且稳定至小于一个 LSB。 例如，使用 5 伏基准的 12 位 ADC 具有 1.22毫伏的最低 有效位权重或 LSB。 相比之下，16 位器件具有 76 微伏的更小位权重分辨率，从而带来 严格得多的要求。 在设计数据采集系统时，第一步 是查看 SAR ADC数据表 以获取相关指南。 大多数 ADC 数据表会提供 最佳电路建议，以支持最大数据速率。 不过，可能需要通过详细的分析 或仿真来验证您是否 能达成性能目标，具体取决于采样率 要求和应用中使用的基准 器件。 让我们来看看一些示例电路。 首先，让我们考虑由于我们未使用 基准缓冲器而导致性能 下降的情况。 在这里，我们展示连接到 ADS8860 的 REF5050，前者是一款16 位、每秒 1 兆个 样本采样率的转换器。 本例中，我们将看到性能 会下降，因为基准没有 足够的带宽来满足ADC 的瞬态电流需求。 在该电路中，REF5050器件无法在转换 时间间隔期间对旁路电容器 进行充电以使其恢复。 在转换时间间隔期间 SAR REFP 输入端 会产生电压降和趋稳误差。 这些电压基准趋稳误差会 在转换结果中导致线性和失真。 请注意，采样率和分辨率会 对基准带宽要求产生影响。 在本示例中，ADS8860 是每秒 1 兆个样本采样率、 16 位 ADC，这是相对较快的采样率 和较高的分辨率。 因此需要使用宽带宽缓冲器。 让我们来看看测量的结果。 该图显示了 ADS8860以每秒 1 兆个 样本的采样率进行采样的 FFT 结果， 此时使用 REF5050 基准来驱动 ADC，未使用缓冲器。 比较规格的SNR 和 THD， 您可以看到，与预期的负 108dB THD 相比，测量的负 91.3dB THD 要差很多。 此外，如果您看看 FFT， 您会注意到相对较大的二次和三次谐波。 在下一张幻灯片中，我们将放置一个 具有足够带宽和低输出阻抗的基准缓冲器来 驱动基准输入，从而解决该问题。 该图显示的配置与上一个电路 非常类似。 这两个电路的数据转换器和 测试条件是相同的。 唯一的变化是使用 REF6050 替换了 REF5050。 这两个器件都是低噪声、低漂移精密 基准，具有非常类似的规格。 这两个基准之间的主要 差异是 REF6050 的输出端使用了 一个宽带宽缓冲器。 该缓冲器在整个频率范围内具有 低输出阻抗并经过优化，以驱动开关 电容器基准输入。 使用 REF6050 等器件的一个主要 好处是，其 PCB 板面积和复杂度比分立式 基准缓冲器要小。 实际上，REF6050 和REF5050 是引脚 对引脚兼容的。 那么，让我们来看看更换基准是如何影响 ADS8860 性能的。 在这里，我们将ADS8860 性能与 其他两款基准进行比较。 首先，请注意，对于数据转换器规格 而言，SNR 为 93dB，THD 为负 108dB。 理想情况下，我们测量的系统应符合 数据表规格。 如果不符合相关规格，那么基准等 某些外部组件可能 是限制因素。 左侧的图显示了采用 REF5050 时的性能。 尽管该基准是一款低噪声、 低漂移精密基准，但您可以 看到其 THD比规格要 差很多。 根据规格，我们应达到负 108dB。 但我们仅达到负 91.3dB。 另一方面，右侧的图 显示了REF6050 的性能。 通过比较这些FFT，您可以看到 该系统的谐波得到了显著改善。 此外，将测量的SNR 和 THD 与规格 进行比较，您可以看到我们与规格非常接近。 这里的关键点是，采用宽带宽缓冲器的 基准能够实现更佳的失真规格， 因为它能够响应基准 输入端大而快速的 瞬态。 接下来，让我们来看看采样率如何 影响基准驱动要求。 在这里，我们展示一个并不总是需要宽带宽 基准的示例。 回忆一下前一个示例，REF5050 没有 集成式宽带宽输出缓冲器。 因此，当以每秒 1 兆个样本的速率使用该基准时， 我们看到性能会下降。 在这里，我们使用另一款数据转换器， 即 ADS8326，它是一款最大采样率为每秒 25 万个 样本的 16 位器件。 实际上，将该数据转换器与 REF5050 配合使用可实现非常好的性能。 这是因为每秒25 万个样本 相对较慢的采样率使 REF5050 能够在转换之间的时间 间隔期间对旁路电容器 进行充电。 为了实现最佳性能，应使用相对较大的旁路电容器， 这一点很重要。 REF5050 能够驱动大容性负载。 此外，选择能够拉取和同步大 电流的基准也很重要。 例如，REF5050 能够拉取正负 10 毫安的电流。 务必查看基准数据表中的容性驱动 能力和输出电流规格， 因为某些基准会受到限制。 请注意，对于该示例配置， ADS8326 无需使用宽带宽缓冲器即可满足 数据表 THD 和 SNR 规格。 如果您需要使用基准缓冲器，那么 从简单性角度而言，您应使用 简单的运算器单位增益跟随器， 如左侧所示。 该简单设计的问题是，缓冲器 需要具有良好的交流 和直流特性。 失调电压和温漂应较低， 否则基准的精度会降低。 此外，带宽应较高。 输出阻抗应在整个频率范围内较低 且平坦。 大多数放大器针对交流或直流特性 进行了优化。 因此，找到理想的基准缓冲器可能具有挑战性。 解决该问题的一种方法是使用复合放大器。 复合放大器将使用两个放大器， 一个放大器针对良好的直流操作进行了优化， 另一个放大器针对带宽进行了优化。 右侧显示了复合放大器的 一个示例。 OPA378 输入放大器是一款斩波放大器。 斩波放大器可提供出色的直流精度， 因为它们能够持续地自动校准 失调电压和温漂。 在本例中，失调电压为 50 毫伏。 漂移为每摄氏度0.25 微伏。 不过，该器件的带宽和输出 阻抗不足以驱动基准 输入。 OPA625 输出放大器可提供 125 兆赫兹的 高带宽，并且可以在整个频率范围内 提供极低的输出阻抗，能够驱动 SAR ADC 动态 负载。 由于在反馈环路的输入端使用了 OPA378， 因此 OPA625 的失调电压和漂移误差得到更正。 复合放大器输出端的 OPA625 仍可以响应ADC 的快速瞬态。 因此复合放大器基本上可以在这两个方面实现最佳的性能。 它可以通过 OPA378 实现良好的直流特性，并且 通过 OPA625 实现良好的交流特性。 在查看电路之后，您可能会 由于它太复杂而放弃使用它。 不过，要在高数据速率下实现最高性能，可能需要 使用该电路。 ADC 数据表通常会提供 ADC 驱动电路建议。 因此，应在选择拓扑之前查看数据表。 许多现代 SAR ADC包含内部基准和 基准缓冲器。 该幻灯片显示了高性能 ADS8900B， 这是一款可以在每秒 1 兆个样本的 快速采样率下提供 20 位极高分辨率的 SAR ADC。 在本例中，电压基准的输出 连接到高阻抗缓冲器输入。 因此，电压基准看不到来自 ADC 的 任何瞬态。 利用该便利的功能，可以将多个 ADC 器件连接到单个电压基准。 该方法可简化校准并降低 系统复杂性。 请注意，每个器件都需要在基准缓冲器输出端 使用本地旁路电容器。 基准缓冲器的另一个好处是， 基准可以将传统 RC 降噪 滤波器连接到其输出端。 如果您查看该示例，会发现 1k 欧姆、10 微法拉滤波器可以将噪声限制为 159 赫兹。 无法在不使用缓冲器的情况下 使用该类滤波器，因为 1k 欧姆的电阻器会限制其响应 基准输入大电流瞬态的能力。 一般来说，现代ADC 往往会集成 更多的此类便利功能， 从而简化设计并减小 PCB 面积。 本视频到此结束。 谢谢观看。 请尝试完成测验以检查您对本视频 内容的理解。284