基准电压源滤波器将32位ADC SNR提高6dB

从ADC获得最佳SNR性能不仅仅是向ADC输入提供低噪声信号的问题。提供低噪声基准电压同样重要。虽然基准噪声在零电平时没有影响，但在满量程时，基准电压源上的任何噪声都将在输出代码中可见。这就是为什么对于给定的ADC，在零电平下测量的动态范围（DR）通常比在满量程或接近满量程时测量的信噪比（SNR）好几dB。在过采样应用中，提供低噪声基准电压尤为重要，因为ADC的SNR可能超过140dB。为了达到这一水平的SNR，即使是最好的低噪声基准电压源也需要一些帮助来降低其噪声水平。

有几种替代方法可以降低基准噪声。增加旁路电容的尺寸或在基准输出上使用简单的低通RC滤波器都不是好的选择。基准输出端上的大旁路电容本身不能产生足够低的截止频率以使其有效。无源RC滤波器本身虽然提供低截止频率，但会产生随采样频率和温度变化的输出电压。并联多个低噪声基准电压源的输出是一种有效的替代方案，但它价格昂贵且消耗大量功率。

此处演示的基准电压源滤波器可产生低噪声基准电压，而不会显著影响基准电压精度或温度系数，并且功耗和成本适中。

电路说明

本例中使用的ADC是LTC2508-32 （U1）。LTC®2508-32 是一款低噪声、低功率、32 位 SAR ADC，内置一个低通数字滤波器，该滤波器具有 256 至 16384 的四个引脚可选下采样因子 （DF）。为了实现 LTC2508-32 的全部性能，需要一个低噪声、低温度漂移基准。

本例中使用的基准是LTC6655-5 （U2）。LTC6655-5 提供了高准确度 （最大值为 ±0.025%）、超低噪声 （0.67ppm RMS 典型值） 和漂移 （2ppm/ºC 最大值） 性能。即使具有极低的噪声性能，LTC6655-5 仍然会降低 LTC2508-32 的 SNR 性能。

LTC®2057 （U3） 是一款零漂移运放，具有抑制 1/f 噪声的功能。LTC2057 具有一个小于 200pA 的输入偏置电流 （IB）、一个 4μV 的最大失调电压和一个 0.015μV/ºC 的最大失调电压温度系数。这明显低于 LTC6655-5 的温度系数 （2ppm/ºC=10μV/ºC）。

LT®6202 （U4） 是一款低噪声、快速建立运放，具有驱动 LTC2508-32 的 REF 引脚上所需的 47μF 旁路电容器所需的高短路电流能力。

图1电路使用R2和C3对基准电压源（U2）的输出进行滤波，形成一个0.8Hz滤波器。电容器C3应为薄膜电容器。钽电容和电解电容具有高泄漏，会在R2上产生偏移。陶瓷电容器会表现出微音效应，导致低频时噪声增加。滤波输出由U3的高阻抗输入缓冲。U3的最大IB为200pA，R2两端的最大压降仅为2μV。这与 LTC2057 的失调电压相结合，产生了 6μV 的最大误差，与 LTC6655-5 的最大初始准确度规格 0.025% （1.25mV） 相比，该误差相对较小。U3 和 U4 构成一个复合放大器，该放大器具有 LTC2057 的低失调、失调温度系数和抑制的 1/f 噪声以及 LT6202 的快速建立。U1的REF引脚从C1汲取电荷，该电荷随采样速率和输出代码而变化。U4必须补充此电荷以保持REF引脚电压固定。R5用于将U4与C1隔离，以改善REF引脚的建立。物理上较大的陶瓷电容器具有更高的电压和温度额定值，具有较低的电压系数，从而提供更高的有效电容。因此，C1 应为 X7R，尺寸为 1210，额定电压为 10V。

电路性能

如表 1 所示，LTC2508-32 表现出近乎理论的行为，当 ADC 输入连接在一起并由 LTC6655-5 直接驱动 REF 引脚时，下采样因数 （DF） 每增加 4 倍，动态范围就会增加近 6dB。表 1 还显示，当 ADC 接近满标度时，使用 LTC6655-5 直接驱动 ADC REF 引脚时，与 DR 相比，SNR 低了 7.8dB。这是由于参考的噪声造成的。如表 1 所示，使用图 1 所示电路来驱动 LTC2508-32 的 REF 引脚可使 SNR 改善高达 6.1dB。

斩波稳定运放（如 LTC2057）在斩波频率及其奇次谐波时经常出现音调。LTC2057 利用电路来抑制这些远低于失调电压的伪影。该电路与ADC自身的滤波器相结合，可消除运算放大器斩波频率中的任何可见音调，如图2的本底噪声图所示。图2的曲线是5次数据捕获的平均值，试图平滑本底噪声，以揭示任何杂散音调的最小迹线。

结论

结果表明，一种滤波电路可在不影响其精度或温度系数的情况下降低基准输出噪声，同时只需要适度的功耗和成本。将该电路的输出施加到 LTC2508-32 的基准引脚，与直接使用该基准驱动 ADC 相比，一个 32 位低噪声 ADC 在一系列下采样因子范围内将 SNR 提高了多达 6.1dB。

审核编辑：郭婷