设计指南 994

多ADC系统的基准电压设计


摘要 : 本文讨论了针对超声成像系统空间受限特点定制的两个成功应用的基准电路,这两个方案均采用一个基准源为多个模/数转换器(ADC)供电。最后,对这两个电路进行了测试,测试结果将在后续的应用笔记中进行讨论。

多模/数转换器(ADC)系统所能达到的精度直接取决于ADC的基准电压。举例来讲,医疗超声成像系统通常会在其接收器的波束成形电路中包含大量的ADC,常常以16、24、32等为一组。要得到最高的波束精度,需要最大限度地减小波束成形通道的误差。如果每个独立ADC上的基准电压精度较差,则会影响整个系统的性能,此外包含多个独立的阻性和容性负载的分布式负载也会影响系统的性能。有多种方案可为这种ADC阵列提供基准电压:
  • 独立的片上基准:尽管这种方式为每个ADC提供了方便的本地连接,但转换器之间的匹配度相对较差。
  • 一个单一的外部基准电压供给ADC阵列的所有基准输入:这种结构允许用户设计一个随意精度的外部基准电压,但仍存在由于阶梯电阻中的微小变化所产生的误差(每个ADC内置一个阶梯)。
  • 一个外部基准直接驱动ADC的基准阶梯抽头:这种方式由于直接控制供给每个ADC阶梯的基准电压,因而具有最高的增益精度。然而,需要驱动(相对)较低的阶梯电阻,而且很多ADC不允许接入到内部偏置点。

ADC精度

许多应用中,增益和噪声电平是影响ADC精度的主要因素。ADC的增益用传输函数的斜率表示,反映了模拟输入与所允许的数字输出代码之间的关系。一种评估增益的方法是测量满量程(FS)输入范围,它直接受基准电压的控制。对于医疗超声成像系统,ADC满量程范围的变化会导致波束成形误差。它还会改变ADC的钳位点—影响某些信号解调电路的重要因素。

ADC的噪声电平确定了可利用的动态范围,一般情况下应该尽量提高系统的动态范围。ADC噪声的基准噪声成分可以是加性噪声或乘积性噪声,利用每个ADC的本地旁路电容可以很容易地滤除加性噪声,这种方式已在大多数设计中用来优化ADC的动态特性。

另一方面,乘积性噪声更为隐蔽。对于超声应用,音频段中的基准噪声会调制射频段的强“静止”信号,这种信号由超声目标中的静止组织产生。音频调制在射频信号上产生的边带被多普勒探测器解调,在检波后的多普勒输出信号中产生音频干扰。

为估算超声应用中所允许的音频噪声,假定将一个接近满量程的射频信号施加到一个10位ADC如MAX1448。该器件的动态范围(接近60dB)预示-60dBFS的噪声基底。将该噪声电平折合到1Hz带宽。对于80MHz的采样速率,奈奎斯特带宽为40MHz。修正因子为√(40MHz) = 76dB,这使ADC的噪声基底成为-60dBFS - 76dBFS = -136dBFS。保守设计要求基准电压噪声至少低出20dB (-156dBFS),这样,一个+2.0V的基准电压,其噪声电平需低至33nVP-P (约8nVRMS/√Hz)。

多ADC阵列所需基准电压的精度可能高于各转换器的内部基准(例如,MAX144x转换器的内部基准精度为±1%)。下述两个电路可用于上述阵列的基准设计。它们带有一路公用的低频噪声滤波器,利用各个ADC的本地去耦电容改善高频噪声抑制。

单一外部基准

基于MAX144x系列的多转换器系统非常适合采用一个公共的基准电压。这些转换器的REFIN引脚能够直接与外部基准源连接,无需修改任何电路。而且,REFIN的高输入阻抗(即使在多个REFIN端并联时)仅吸取极小的负载电流。

精密基准源如MAX6062 (IC1)可提供+2.048V外部直流电平(图1),噪声电压密度为150nV/√Hz。其输出经过一个单极点低通滤波器(截止频率10Hz)送入一个MAX4250这样的运放(IC2),并在其输出馈入第二级10Hz低通滤波器之前进行缓冲。IC2 (MAX4250)具有低失调电压(可获得高增益精度)和低噪声电平。缓冲器之后的10Hz无源滤波器衰减由电压基准和缓冲器产生的噪声。经滤波后的噪声密度,其中较高频率的噪声被降低了,能够符合高精度ADC对噪声电平的要求。

图1. 超声应用中,采用单个低噪声基准电路驱动多达1000个ADC。
图1. 超声应用中,采用单个低噪声基准电路驱动多达1000个ADC。

MAX144x系列的转换器典型增益误差为±4.4% (优于±0.5dB)。该性能优于超声接收器信号通道中所有其它模块的增益容差。因为所有有源部件由同一电源电压驱动,因此能够保证适当的上电/掉电顺序。该方案以最少的电路获得出色的增益匹配和非常低的噪声电平,满足大多数采用多路增益匹配ADC系统的要求。

产生一个精密的外部基准

对于增益匹配度要求更严格的应用(图2),MAX144x系列同样非常适合。将REFIN引脚接模拟地可以禁止各器件的内部基准,允许一组外部基准源直接驱动内部基准阶梯。这些电压可具有任意的精度,ADC可跟随它们至0.1%以内。该系列的ADC阶梯基准连接端具有4kΩ的电阻,即使在多个ADC并联时也能够很容易地驱动负载。

图2. 还是在超声应用中,采用一个精密、低噪声的基准电路驱动多达32个ADC。
图2. 还是在超声应用中,采用一个精密、低噪声的基准电路驱动多达32个ADC。

精密基准源如MAX6066 (IC1)产生+2.500V的直流电压,后接10Hz低通滤波器和精密分压器,分压器经过缓冲的输出被设置为+2.0V、+1.5V和+1.0V,其精度与分压电阻的容差有关。

这三个电压由四运放IC2 (MAX4254)缓冲,因为它具有较低的噪声和直流失调。各输出电压接10Hz低通滤波器可滤除基准电压噪声和缓冲放大器的噪声,使噪声电平低至3nV/√Hz。+2.0V和+1.0V的基准电压将相关ADC的差分满量程范围设置在2VP-P。+2.0V和+1.0V缓冲器驱动它们之间的ADC内部阶梯电阻:4kΩ除以电路中的ADC个数。例如,32个ADC将从这些基准源吸取8mA电流—负载电流远未超出IC2 (MAX4252)的容量。这种结构的增益精度由IC1 (这里是:MAX6066)的精度等级和分压器的电阻容差确定,可以达到较高的精度。该电路每个ADC的增益匹配度为0.1% (典型值)。100Hz频点噪声电平低于3nV/√Hz,能够提供出色的性能指标。与图1相同,所有有源器件采用同一电源供电,上电或掉电时无需考虑供电顺序。

运放输出匹配度优于0.1%,采用同样的缓冲器和后续低通滤波器能够支持高达32路ADC。对于需要32路以上匹配ADC的应用,建议对所有转换器采用一个公用的电压基准和分压器。

总结

对于需要大量数据转换器、而且对通道间匹配度要求较高的系统需要认真对待其电压基准的设计。采用同一高精度、低噪声基准源驱动所有ADC能够获得高精度匹配。MAX144x系列10位ADC提供了灵活的基准输入和出色的动态特性,不失为这种应用的首选方案。

参考的Maxim数据资料

MAX1444 Rev. 0, 7/00.

MAX1448EVKIT Rev. 0, 9/00.

MAX4249-MAX4257 Rev. 2, 4/98.

MAX6061-MAX6067 Rev. 0, 4/00.

类似文章发表于2002年1月24日的EDN杂志。