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模数转换器 (ADCs)

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6.1 电压基准概述

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 介绍基准规格, 更深入地了解 SAR 电压基准行为, 以及实现可最大 程度地减小误差的 基准输入驱动方法。 本视频首先 介绍电压 基准。 在本视频中, 我们提供电压 基准规格的 简短概述, 其中包括初始精度、 长期稳定性、温度漂移 和噪声。 在后续视频中,我们 将介绍与驱动 SAR 基准 输入相关的主题。 在我们查看基准 规格之前,让我们 来看看有关整个 基准系列目标的 更多细节。 SAR 基准驱动电路 在 ADC 中至关重要, 因为所有转换 都是基准电压的 函数。 由于 ADC 通过 将输入电压 与基准进行比较 来执行转换, 因此基准电压的 初始精度、漂移、 稳定性和 噪声都会 影响转换 结果的精度。 在采用传统的 逐次逼近寄存器 或 SAR ADC 架构时, 基准输入是最敏感的, 因为基准 引脚会向 基准源施加 动态负载。 在许多情况下, 可能需要使用 基准缓冲器来满足 SAR 基准输入端的 动态电流需求。 ADC 的基准驱动 电路必须提供 低漂移且非常 精确的直流电压, 并支持动态 充电要求, 而不影响噪声 和稳定性能。 在该演示中, 还将提供主要 电压基准规格 概述,以作为 SAR 基准输入引脚 行为的详细 说明。 基准驱动电路 必须能够满足 基准输入动态 电流需求。 基准电压必须 保持稳定,并且 在每个转换时钟周期中 稳定至所需的 n 位分辨率, 否则可能会产生线性 误差或缺码错误。 该演示的总体 目标是提供一种 用于设计最佳 基准驱动电路的 方法并使用 TINA Spice 仿真验证其 性能。 该幻灯片显示了有关 SAR ADC 基准的整个 系列的议程。 在该视频中,我们 将介绍第一个主题 -- 初始精度、漂移、 长期漂移和噪声。 下面列出了其他 视频的主题。 闲言少叙,让我们 开始了解基准 规格。 在开始查看 不同的基准规格 之前,我们应了解 并联与串联这两种 不同类型的 电压基准之间的 主要差异。 并联基准的行为与 齐纳二极管非常类似。 流经并联基准的 电流由串联 电阻器设置。 并联基准没有对 放大器进行缓冲, 因此它无法灌入电流。 消除的电流大小 与分流电阻器 相关。 有关这些基准 响应低瞬态的 能力有限,因此 在驱动开关 电容器基准输入时 不使用它们。 一种可能的 例外情况是 并联基准 后跟宽带宽 缓冲器。 另一方面, 串联基准 是我们将在该演示中 重点介绍的类型, 因为它们是用于 ADC 输入驱动器的 最常见类型。 串联稳压器具有 一个内部带隙基准 和一个用于对基准电压 进行缓冲的放大器。 通常,串联稳压器 输出可以拉取 或灌入电流, 从而使该类型的 稳压器非常 适合满足瞬态 电流需求。 在该研讨会的稍后 部分,我们将了解 使某些串联基准 比其他基准更适合 驱动基准的特性。 但现在,可以 这么说,我们 将在该演示的 剩余部分中 重点介绍串联 电压基准。 初始精度是 基准的指定 输出电压中的误差。 此误差仅在 该用于定义 初始误差的特定 测试条件集下有效。 在该示例中, 初始精度由 页面顶部的 测试条件进行 定义。 也就是说,除非 另有说明,否则 环境温度为 25 摄氏度, 电流负载为 0 安培,负载 电容为 1 微法拉, 输入电压为输出 电压加 0.2 伏至 18 伏。 请注意,某些基准具有 多种级别的输出。 在本示例中,高级别 具有 0.05% 的误差, 低级别具有 0.1% 的精度。 请注意,初始 精度不包括 焊接、长期 漂移或迟滞 造成的精度 偏移影响。 我们一会儿将 讨论这些误差源。 该幻灯片显示了 初始精度和焊接 漂移引入的 误差的直方图。 焊接热漂移 分布误差 是由焊接期间 裸片中引入的 应力导致的。 该误差是初始精度 误差的附加误差。 该分布是在 非常具体的 测试条件下测量的, 如 PCB 厚度、面积 和焊接曲线。 更改焊接条件 可能会影响 焊接漂移。 例如,许多 PCB 设计会要求 PCB 的顶部和 底部具有多个 回流。 这可能会使焊接 热漂移更大。 长期漂移有时 称为长期稳定性, 是对器件的精度 如何随时间变化的 度量。 这有时称为 产品老化。 所有器件都会由于 老化而产生长期漂移。 不过,该误差 在基准中 特别重要。 该表显示了 VSSOP-8 和 MSOP-8 两种不同封装的 基准输出的典型漂移。 该表指定了 0 至 1,000 小时以及 1,000 至 2000 小时的 输出漂移。 在该示例中, 测试了 96 个单元。 长期漂移是由 模塑料固化、金属 迁移和扩散导致。 在产品的生命周期中, 长期漂移最初是最大的, 然后会随时间的 推移而减小。 初始漂移 较大是由 器件封装中 模塑料的 自固化导致的。 一种最大程度地 降低长期漂移 影响的方法是 定期校准产品。 由此可以解决 长期漂移。 另一种方法是 执行初始老化。 这意味着在高温下 对产品进行烘烤, 以加速产品 老化并通过 初始漂移。 温度漂移是 输出电压 随温度的变化。 对于基准,该漂移 通常具有很高的 非线性度,因为 它使用设计 技术和修整来实现 相对平坦的温度响应, 因此残留误差 是非线性的。 框方法用于 计算温度漂移。 该方法查找 输出电压 随温度的 最大变化。 任何特定 区域中的 漂移都可能小于 或大于规格。 在本示例中, 您可以看到 0 至 50 摄氏度的 漂移相对平坦, 而低温和 高温时的 漂移要高很多。 箱形图提供了整个 范围内的漂移。 另请注意,仅在一些 关键点上测试了该漂移。 在本示例中,在负 50 摄氏度、25 摄氏度 和 125 摄氏度下 对其进行了测试。 最小值或 最大值可能 发生在不同于 测试点的当前温度。 但测试点是 根据漂移的 预期曲率进行 选择的,以避免 出现该情况。 在本示例中,限值 设置为每摄氏度 20 百万分率。 因此,绿色曲线通过限值, 而红色曲线未通过限值。 温度漂移被视为 非常重要的规格, 因为校准该 误差通常是 不切实际的。 通常,要实现 最佳温度漂移, 您只需选择具有最佳 漂移规格的产品。 0.1 至 10 赫兹 噪声是指定 1/f 或闪烁噪声的 工业标准方法。 它是使用对低于 0.1 赫兹和高于 10 赫兹的信号进行 衰减的有源带通 滤波器测量的。 滤除 1/f 噪声 是不切实际的, 因为它会向下扩展至零频率, 而您无法将滤波器截止频率 设置为零赫兹。 由于该噪声具有 很低的频率, 因此可能很难 将其与环境温度 漂移相区分。 最大限度地减小 基准中的 1/f 噪声 唯一切实可行的方法 是选择具有良好 规格的基准模式。 由于无法校准该 误差源,因此它是 在选择器件时的 关键考虑因素。 该图显示了基准的 输出噪声频谱。 在低频率下, 该图显示了 基准的 1/f 噪声分量。 在较高频率下, 曲线的平坦 部分显示了 基准的宽带噪声。 可以通过对基准进行滤波 来最大限度地降低宽带噪声。 一种方法是在基准的 输出端添加较大的 滤波电容器。 该图显示了如何使用 较大的输出电容器最大 程度地降低宽带噪声。 另一种用于最大 程度地降低宽带 噪声的方法是将 RC 滤波器 与基准缓冲器结合使用。 在本例中,可以 将截止频率 设置得很低,以最大 程度地降低宽带噪声。 请注意,该方法在不使用 基准缓冲器的情况下 是不切实际的,因为串联 电阻将限制基准的 动态输出阻抗。 对于驱动 SAR ADC 基准输入 而言很重要的一个 规格是输出阻抗。 不幸的是,许多 基准不提供有关 该基准的信息。 此处显示的图适用于 REF60xx 系列基准。 您可以在该示例中看到, 对于 1 兆赫的频率,输出 阻抗非常低。 该基准专门 为驱动基准 输入进行了 优化,因此 该输出阻抗曲线 是很好的比较基准。 该表总结了我们 已介绍过的不同 基准误差源。 对于每个误差源, 需要记住的 关键点是如何 减小该误差。 可以对初始误差和 焊接漂移进行校准。 另一方面,温度 漂移难以进行 校准,因此通常 通过选择其规格 符合您的要求的 器件来最大程度地 减小该漂移。 长期漂移或老化 可以通过定期校准 进行消除。 此外,您还可以 对产品进行烘烤 来加快老化并 消除最大的漂移。 可以使用滤波来最大 程度地降低宽带噪声。 但只能通过选择 具有良好规格的 器件来最大程度地 降低 1/f 噪声。 最后,低宽带输出 阻抗对于具有 SAR 基准输入等动态 负载的应用而言 非常重要。 减缓非最佳输出 阻抗的唯一方法 是使用基准缓冲器。 或者,选择具有低 宽带宽输出阻抗的 器件。 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。 253

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 介绍基准规格,

更深入地了解 SAR 电压基准行为,

以及实现可最大 程度地减小误差的

基准输入驱动方法。

本视频首先 介绍电压

基准。

在本视频中, 我们提供电压

基准规格的 简短概述,

其中包括初始精度、 长期稳定性、温度漂移

和噪声。

在后续视频中,我们 将介绍与驱动 SAR 基准

输入相关的主题。

在我们查看基准 规格之前,让我们

来看看有关整个 基准系列目标的

更多细节。

SAR 基准驱动电路 在 ADC 中至关重要,

因为所有转换 都是基准电压的

函数。

由于 ADC 通过 将输入电压

与基准进行比较 来执行转换,

因此基准电压的 初始精度、漂移、

稳定性和 噪声都会

影响转换 结果的精度。

在采用传统的 逐次逼近寄存器

或 SAR ADC 架构时, 基准输入是最敏感的,

因为基准 引脚会向

基准源施加 动态负载。

在许多情况下, 可能需要使用

基准缓冲器来满足 SAR 基准输入端的

动态电流需求。

ADC 的基准驱动 电路必须提供

低漂移且非常 精确的直流电压,

并支持动态 充电要求,

而不影响噪声 和稳定性能。

在该演示中, 还将提供主要

电压基准规格 概述,以作为 SAR

基准输入引脚 行为的详细

说明。

基准驱动电路 必须能够满足

基准输入动态 电流需求。

基准电压必须 保持稳定,并且

在每个转换时钟周期中 稳定至所需的 n 位分辨率,

否则可能会产生线性 误差或缺码错误。

该演示的总体 目标是提供一种

用于设计最佳 基准驱动电路的

方法并使用 TINA Spice 仿真验证其

性能。

该幻灯片显示了有关 SAR ADC 基准的整个

系列的议程。

在该视频中,我们 将介绍第一个主题 --

初始精度、漂移、 长期漂移和噪声。

下面列出了其他 视频的主题。

闲言少叙,让我们 开始了解基准

规格。

在开始查看 不同的基准规格

之前,我们应了解 并联与串联这两种

不同类型的 电压基准之间的

主要差异。

并联基准的行为与 齐纳二极管非常类似。

流经并联基准的 电流由串联

电阻器设置。

并联基准没有对 放大器进行缓冲,

因此它无法灌入电流。

消除的电流大小 与分流电阻器

相关。

有关这些基准 响应低瞬态的

能力有限,因此 在驱动开关

电容器基准输入时 不使用它们。

一种可能的 例外情况是

并联基准 后跟宽带宽

缓冲器。

另一方面, 串联基准

是我们将在该演示中 重点介绍的类型,

因为它们是用于 ADC 输入驱动器的

最常见类型。

串联稳压器具有 一个内部带隙基准

和一个用于对基准电压 进行缓冲的放大器。

通常,串联稳压器 输出可以拉取

或灌入电流, 从而使该类型的

稳压器非常 适合满足瞬态

电流需求。

在该研讨会的稍后 部分,我们将了解

使某些串联基准 比其他基准更适合

驱动基准的特性。

但现在,可以 这么说,我们

将在该演示的 剩余部分中

重点介绍串联 电压基准。

初始精度是 基准的指定

输出电压中的误差。

此误差仅在 该用于定义

初始误差的特定 测试条件集下有效。

在该示例中, 初始精度由

页面顶部的 测试条件进行

定义。

也就是说,除非 另有说明,否则

环境温度为 25 摄氏度, 电流负载为 0 安培,负载

电容为 1 微法拉, 输入电压为输出

电压加 0.2 伏至 18 伏。

请注意,某些基准具有 多种级别的输出。

在本示例中,高级别 具有 0.05% 的误差,

低级别具有 0.1% 的精度。

请注意,初始 精度不包括

焊接、长期 漂移或迟滞

造成的精度 偏移影响。

我们一会儿将 讨论这些误差源。

该幻灯片显示了 初始精度和焊接

漂移引入的 误差的直方图。

焊接热漂移 分布误差

是由焊接期间 裸片中引入的

应力导致的。

该误差是初始精度 误差的附加误差。

该分布是在 非常具体的

测试条件下测量的, 如 PCB 厚度、面积

和焊接曲线。

更改焊接条件 可能会影响

焊接漂移。

例如,许多 PCB 设计会要求

PCB 的顶部和 底部具有多个

回流。

这可能会使焊接 热漂移更大。

长期漂移有时 称为长期稳定性,

是对器件的精度 如何随时间变化的

度量。

这有时称为 产品老化。

所有器件都会由于 老化而产生长期漂移。

不过,该误差 在基准中

特别重要。

该表显示了 VSSOP-8 和 MSOP-8

两种不同封装的 基准输出的典型漂移。

该表指定了 0 至 1,000 小时以及 1,000

至 2000 小时的 输出漂移。

在该示例中, 测试了 96 个单元。

长期漂移是由 模塑料固化、金属

迁移和扩散导致。

在产品的生命周期中, 长期漂移最初是最大的,

然后会随时间的 推移而减小。

初始漂移 较大是由

器件封装中 模塑料的

自固化导致的。

一种最大程度地 降低长期漂移

影响的方法是 定期校准产品。

由此可以解决 长期漂移。

另一种方法是 执行初始老化。

这意味着在高温下 对产品进行烘烤,

以加速产品 老化并通过

初始漂移。

温度漂移是 输出电压

随温度的变化。

对于基准,该漂移 通常具有很高的

非线性度,因为 它使用设计

技术和修整来实现 相对平坦的温度响应,

因此残留误差 是非线性的。

框方法用于 计算温度漂移。

该方法查找 输出电压

随温度的 最大变化。

任何特定 区域中的

漂移都可能小于 或大于规格。

在本示例中, 您可以看到

0 至 50 摄氏度的 漂移相对平坦,

而低温和 高温时的

漂移要高很多。

箱形图提供了整个 范围内的漂移。

另请注意,仅在一些 关键点上测试了该漂移。

在本示例中,在负 50 摄氏度、25 摄氏度

和 125 摄氏度下 对其进行了测试。

最小值或 最大值可能

发生在不同于 测试点的当前温度。

但测试点是 根据漂移的

预期曲率进行 选择的,以避免

出现该情况。

在本示例中,限值 设置为每摄氏度

20 百万分率。

因此,绿色曲线通过限值, 而红色曲线未通过限值。

温度漂移被视为 非常重要的规格,

因为校准该 误差通常是

不切实际的。

通常,要实现 最佳温度漂移,

您只需选择具有最佳 漂移规格的产品。

0.1 至 10 赫兹 噪声是指定 1/f

或闪烁噪声的 工业标准方法。

它是使用对低于 0.1 赫兹和高于 10

赫兹的信号进行 衰减的有源带通

滤波器测量的。

滤除 1/f 噪声 是不切实际的,

因为它会向下扩展至零频率, 而您无法将滤波器截止频率

设置为零赫兹。

由于该噪声具有 很低的频率,

因此可能很难 将其与环境温度

漂移相区分。

最大限度地减小 基准中的 1/f 噪声

唯一切实可行的方法 是选择具有良好

规格的基准模式。

由于无法校准该 误差源,因此它是

在选择器件时的 关键考虑因素。

该图显示了基准的 输出噪声频谱。

在低频率下, 该图显示了

基准的 1/f 噪声分量。

在较高频率下, 曲线的平坦

部分显示了 基准的宽带噪声。

可以通过对基准进行滤波 来最大限度地降低宽带噪声。

一种方法是在基准的 输出端添加较大的

滤波电容器。

该图显示了如何使用 较大的输出电容器最大

程度地降低宽带噪声。

另一种用于最大 程度地降低宽带

噪声的方法是将 RC 滤波器 与基准缓冲器结合使用。

在本例中,可以 将截止频率

设置得很低,以最大 程度地降低宽带噪声。

请注意,该方法在不使用 基准缓冲器的情况下

是不切实际的,因为串联 电阻将限制基准的

动态输出阻抗。

对于驱动 SAR ADC 基准输入

而言很重要的一个 规格是输出阻抗。

不幸的是,许多 基准不提供有关

该基准的信息。

此处显示的图适用于 REF60xx 系列基准。

您可以在该示例中看到, 对于 1 兆赫的频率,输出

阻抗非常低。

该基准专门 为驱动基准

输入进行了 优化,因此

该输出阻抗曲线 是很好的比较基准。

该表总结了我们 已介绍过的不同

基准误差源。

对于每个误差源, 需要记住的

关键点是如何 减小该误差。

可以对初始误差和 焊接漂移进行校准。

另一方面,温度 漂移难以进行

校准,因此通常 通过选择其规格

符合您的要求的 器件来最大程度地

减小该漂移。

长期漂移或老化 可以通过定期校准

进行消除。

此外,您还可以 对产品进行烘烤

来加快老化并 消除最大的漂移。

可以使用滤波来最大 程度地降低宽带噪声。

但只能通过选择 具有良好规格的

器件来最大程度地 降低 1/f 噪声。

最后,低宽带输出 阻抗对于具有 SAR

基准输入等动态 负载的应用而言

非常重要。

减缓非最佳输出 阻抗的唯一方法

是使用基准缓冲器。

或者,选择具有低 宽带宽输出阻抗的

器件。

本视频到此结束。

谢谢观看。

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内容的理解。 253

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6.1 电压基准概述

所属课程:TI 高精度实验室 – ADC系列视频 发布时间:2019.05.23 视频集数:44 本节视频时长:00:12:13
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