最新的模數轉換器（ADC）可提供高性能信號轉換，滿足各種應用需求。對于物聯網（IoT）設計人員來說，關鍵問題仍然是精確測量的平衡要求與最小化設計尺寸和復雜性的需求之間的關系。為實現這一平衡，設計人員面臨著為其應用采用最有效電壓參考源的關鍵決策。集成在ADC中的電壓基準有助于簡化設計，但當應用需要最佳測量精度時，外部電壓基準IC通常是明智的選擇。

精確測量是物理現象詳細分析的物聯網愿景的基礎，精密電壓基準對于精確測量至關重要。無論ADC的底層架構如何，其操作從根本上依賴于輸入電壓與參考電壓的比較，以根據這些值創建適當的輸出代碼。在理想情況下，這種關系表示為：

輸出代碼= VIN x（2 n /VREF）

其中： VIN是ADC的模擬輸入電壓，

n是ADC輸出位的數量，

VREF是提供給ADC的參考電壓的模擬值。

傳統的電壓參考設計圍繞帶隙參考電路構建（圖1）。在這種傳統設計中，通過對具有相反極性溫度系數的電壓分量求和來產生輸出，以產生合理的溫度穩定性并且等于1.205V的硅帶隙電壓的輸出電壓。大多數電壓參考設計通過電路擴展該基本設計。增加參考電壓電平并緩沖輸出以防止負載變化。

圖1：傳統的帶隙電壓參考電路將ΔVBE和VBE組件相加相反極性的溫度系數，產生一個等于硅帶隙電壓1.205 V的穩定電壓。（來源：Analog Devices Inc.）

降低噪聲

凌力爾特公司的LT1027電壓基準IC采用了另一種方法，該基準采用了凌力爾特公司專有的先進的表面齊納雙極性工藝。憑借其獨特的擊穿電壓特性，齊納二極管似乎非常適合用于電壓參考設計，但缺陷和污染會降低在半導體芯片表面層上制造的齊納二極管的性能。相比之下，掩埋結構結合了齊納擊穿特性的優點和改善的噪聲和穩定性。利用這種低噪聲方法，LT1027提供了高度靈活的精密基準IC，可與高分辨率ADC一起使用，例如Linear Technology LTC2345-16--一種低噪聲8通道同步采樣逐次逼近寄存器（SAR）16位ADC差分，寬，共模范圍輸入。

雖然制造商繼續努力降低噪聲，但任何半導體器件中的有源電路都會在1/f區域和寬帶區域產生噪聲電壓。電壓基準的數據表通常包括0.1至10 Hz頻率范圍內的輸出電壓噪聲規范，包括1/f區域。半導體制造商有時也包括寬帶區域的噪聲規范。對于LT1027電壓基準，Linear Tech提供兩個區域的噪聲規格：在0.1Hz≤f≤10Hz 1/f區域，器件產生3μVP-P;在10 Hz至1 kHz的寬帶頻率范圍內，它具有2.0（典型值）和6.0（最大值）μVRMS。

由于最大轉換精度要求最低噪聲水平，設計人員通常會采用不同的方法來降低噪聲。在一種常見的方法中，設計人員通過在參考輸出端添加一個具有極低轉角頻率的低通濾波器來限制寬帶噪聲。電壓參考IC制造商還提供不同的降噪選項。利用LT1027，設計人員可以利用器件的降噪（NR）引腳進一步降低噪聲，該引腳帶出內部定標放大器的正輸入（圖2）。通過在NR引腳和地之間連接1μF聚酯薄膜電容器，設計人員可以在10 Hz至1 kHz帶寬內將LT1027LS8的寬帶噪聲從2.0μVRMS降低至約1.2μVRMS，而不會影響器件的瞬態響應。

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圖2：基于埋入式齊納設計，凌力爾特LT1027電壓基準IC包含降噪（NR）引腳，可進一步降低輸出中的寬帶噪聲電壓。該器件的VTRIM引腳使設計人員能夠調整輸出電壓。 （來源：凌力爾特公司）

然而，使用這種降噪方法需要特別小心。 Linear Tech強調電解電容不適合這種用途 - 電容必須是低泄漏類型。泄漏電流僅為100 nA將嚴重侵蝕性能，導致輸出電壓出現150 ppm的誤差。此外，凌力爾特公司將NR引腳稱為器件上最敏感的引腳，甚至建議使用這種方法在電路板設計中使用保護環。

對于其ADR440，ADI公司（ADI）使用其擁有專有的XFET（eXtra植入式結FET）和溫度校正技術，可降低噪聲并增強穩定性。根據ADI，XFET比傳統的帶隙基準更穩定，并且需要更少的校正。反過來，這些特性轉化為較低的整體噪聲，因為它們減少了對復雜溫度補償電路的需求，這通常是帶隙參考中的主要噪聲源。這些因素的組合導致噪聲精度非常低的電壓基準IC：模擬的ADR440在0.1 Hz至10 Hz 1/f區域內僅顯示1μVpp。

實際上，溫度依賴性能是電壓參考的重要問題，可以發現它是許多系統中大部分溫度漂移誤差預算的原因。例如，設計為在25°C至65°C的溫度范圍內工作的12位系統要求參考溫度系數必須不低于6 ppm/°C（如果它的貢獻小于1 LSB）錯誤（圖3）。高級電壓基準器件專為確保高分辨率ADC系統所需的溫度穩定性而設計。例如，ADR440的溫度為10 ppm/°C（A級），低至3 ppm/°C（B級），而LT1027LS8則達到2（典型值）和5（最高）ppm/°C。

圖3：隨著ADC分辨率的增加，電壓基準需要提供相應較低的溫度系數，以維持0.5 LSB（最低有效位）的誤差水平。 （來源：Linear Technology）

緩沖輸出

即使使用具有最佳噪聲和溫度特性的電壓參考設備，設計人員也會發現在轉換過程中會出現明顯的錯誤，特別是在更高的速率下。在正常執行轉換過程期間，ADC將從參考源汲取不同量的電流（圖4）。反過來，設計人員必須確保電壓參考源不受負載變化的影響。

圖4：每個轉換周期（頂部跡線） ADC會在電壓基準上產生不同的驅動電流需求，從而需要在輸出端安裝精密運算放大器和電容器。 （來源：德州儀器）

為了保持穩定的參考輸出，設計人員可以添加精密運算放大器，例如Linear Technology LT1097（0.5μVp-p 0.1 Hz至10 Hz噪聲），以及電容器接地以進一步緩沖提供給ADC的電壓參考輸出。然而，在構建輸出緩沖區時，設計師需要格外小心。如果輸出電容和運算放大器的開環輸出電阻會改變開環電壓 - 增益曲線，可能會影響運算放大器的穩定性，從而可能導致性能不穩定。

ADI公司指出緩沖器當使用帶有高級ADC的ADR440等外部基準電壓源（如24位多通道sigma-delta AD7175-8 ADC）時，不需要這些基準電壓源。通過適當的去耦，ADR440可以直接驅動AD7175-8的基準輸入。實際上，模擬AD7175-8和線性LTC2345-16等高級ADC集成了帶有基帶隙電壓基準的片上緩沖器 - 為應用設計人員提供了在應用要求不需要最高精度時降低設計復雜度的選項（圖8）。

對于AD7175-8，ADI公司不僅將輸出緩沖器集成到其內部參考電路中，還在兩個ADC參考輸入（Ref-和Ref +）上提供單獨的單位增益緩沖器（圖5）。/p>

圖5：ADI公司的AD7175-8 sigma-delta ADC將緩沖的內部參考電壓與ADC本身的參考輸入上的獨立緩沖器相結合。 （來源：ADI）

凌力爾特公司將集成的帶隙基準與片上緩沖放大器相結合，設計人員可根據需要選擇或取消選擇以滿足其獨特要求（圖6）。

圖6：凌力爾特公司的LTC2345-16 SAR ADC在其集成帶隙電壓基準的輸出端包含一個片上基準緩沖放大器。 （來源：凌力爾特公司）

使用Linear LTC2345-16，設計人員可以利用內部緩沖器來使用外部參考（圖7a）或完全繞過它（圖7b）。由于LTC2345-16的內部緩沖器限制為最大4.4 V，因此設計人員在使用具有5 V基準電壓的ADC時需要旁路內部緩沖器，例如LT1027-5（或LTC6655-5，如圖7b所示）。

圖7：使用Linear LTC2345-16 ADC時，設計人員可以選擇使用（A）或繞過（B）器件的集成參考緩沖器外部精密電壓基準，此處顯示LTC6655系列器件。由于參考緩沖器最大電壓為4.4 V，因此設計人員在使用5 V基準電壓源時必須繞過片內緩沖器（如圖B所示）。 （來源：凌力爾特公司）

如圖5和圖6所示，模擬AD7175-8和線性LTC2345-6等高級ADC集成了片內帶隙電壓基準以及相關的緩沖器。通常，選擇內部基準就像在適當的IC引腳上添加去耦電容一樣簡單。例如，設計人員通過簡單地移除圖7a中所示的外部參考電壓并使用0.1μF電容替換圖中所示的2.7μF電容來選擇線性LTC2345-16 ADC的內部參考電壓。

即使使用這些電容也是如此。各個制造商的ADC都會注意到，由于這些IC的噪聲系數和溫度系數較低，使用外部電壓基準器件可以獲得更高的精度。雖然片內參考電壓的噪聲規格并不總是在數據表中指定，但工程師可以找到顯示與使用外部參考相關的積分非線性改善的數據（圖8）。

圖8：制造商通常不提供集成在ADC上的電壓基準的詳細特性，但數據表可能會顯示對性能和精度的影響。例如，ADI公司AD7175-8 ADC的數據手冊包含使用外部2.5 V基準電壓源（A）和內部2.5 V基準電壓源（B）描述器件的積分非線性（INL）的圖表。 （來源：ADI公司）

結論

物聯網傳感器應用為設計人員在實現測量性能要求與簡化設計要求之間的適當平衡方面提出了重大挑戰。在滿足這些要求時，選擇基于ADC工作的電壓基準是實現理想平衡的關鍵因素。集成在ADC中，片上電壓參考源和配套緩沖器提供最簡單的設計解決方案。然而，對于要求更高的物聯網傳感器應用，工程師可以將外部電壓參考設備與降噪和緩沖策略相結合，以優化先進高分辨率ADC的測量精度。