工作与低噪声电压参考?了解更多关于噪声规格和相关电压参考ic。
许多系统，如数据转换器，电源和测量和控制系统需要电压参考以产生稳定的电压。这些系统的准确性将直接受到产生的参考电压的准确性的影响。
在上一篇文章中温度系数参考，我们看到，TEMPCO规范可用于确定电压参考输出中的最大温度诱导的误差。
在本文中，我们将看看电压参考的噪声规范。
为什么参考噪声很重要?
例如，让我们考虑使用电压引用来设置三位ADC的全尺度值。满量程值表示ADC能够编码的电压范围。
三位ADC的传递特性如图1所示。
图1所示。图片礼貌德州仪器．
正如您所看到的，从一个数字代码到下一个数字代码的转换并不恰好发生在模拟输入的一个值上——有一个小的不确定性区域。换句话说，如果我们多次测量从一个代码到下一个代码的转换点，我们将不会得到模拟输入的单个阈值。记住，ADC使用模拟比较器将模拟输入与参考电压产生的已知电压进行比较。ADC结构中不同组件产生的噪声导致了图1所示的过渡噪声。
类似地，参考电压上的噪声会影响模拟比较器的输出。因此，嘈杂的电压参考可以进一步提高过渡噪声。过渡噪声将使转换器输出的噪声水平提高到理想转换器的预期。因此，电压参考的噪声是直接影响整个系统的信噪比（SNR）的重要参数。
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参考噪声规格
一些制造商将电压参考的噪声指定为峰值到峰值值1 /ƒ范围(通常从0.1 Hz到10 Hz)。其他一些特性描述了特定频率范围内的宽带均方根噪声(例如，从10hz到1khz)。
最有用的方法是提供噪声电压谱密度（$$ NV / SQRT {Hz} $$）与频率的曲线（如下图2所示）。注意1 /ƒ和宽带噪声区域如图2所示。
图2。图片礼貌德州仪器。
我们可以在参考电压的输出处使用低通滤波器来显著抑制其噪声。与抑制宽带噪声相比，抑制宽带噪声相对容易1 /ƒ噪音因为1 /ƒ区域，我们需要一个带有更低的滤波器的过滤器-3db带宽。极低的角频率需要大电容器和电阻器。大电容器可以表现出更高的漏电流并导致电压误差和长期不稳定性．
在评估电压参考的噪声性能时，我们通常需要将峰值到峰值噪声转换为RMS值，反之亦然。为此，取决于我们如何定义峰值到峰值的值，我们可以使用这两个公式中的任何一个6×V.噪音,rms＝V噪音，p-p或者6.6×V噪音,rms＝V噪音，p-p．请看这一点来自模拟设备的视频更多细节。
我们还可能需要将噪声功率谱密度（$$ NV / \ SQRT {Hz} $$）转换为RMS值。为此，我们将系统带宽的平方根乘以噪声光谱密度（PSD），即，$$ v_ {噪声，rms} = psd \ times \ sqrt {bw} $$。请看这一点额外的ADI视频了解导致此等方程式的假设。
例如，电压基准的噪声谱密度为$$100nV/\sqrt{Hz}$$，系统带宽限制为10khz(例如应用低通滤波器)，噪声RMS值为$$100 frac{nV}{\sqrt{Hz}} * \sqrt{10000hz}=10µV$$。等效峰对峰噪声约为60µV。
我们可以容忍多少参考噪音？
让我们假设我们正在使用电压引用来设置n位ADC的全尺度值。我们如何确定该系统的电压参考所需的噪声光谱密度？在这种情况下，我们可以假设噪声的峰值值不到最低有效位或LSB的一半（其中$$ LSB = \ FRAC {v_ {ref}} {2 ^ n} $$）：
$$ v_ {噪声，p-p}≤\ frac {1} {2} \ times \ frac {v_ {ref}} {2 ^ n} $$
使用前面提到的等式$$ 6 \ times v_ {噪声，rms} = v_ {noise，p-p} $$，我们获得：
$$ v_ {噪声，rms}≤\ frac {1} {12} \ times \ frac {v_ {ref}} {2 ^ n} $$
考虑等式$$V_{noise,rms}=PSD\times \sqrt{BW}$$，我们得到:
$ $ PSD≤\压裂{1}{12}\ * \压裂{V_ {REF}} {2 ^ N \ * \√{BW}} $ $
例如，假设我们有一个12位系统，满量值为5 V，带宽为100 KHz。使用上面的公式，我们观察到电压基准的噪声密度应该小于$$322nV/\sqrt{Hz}$$。对于一个高分辨率的系统，上面的公式可能给出的PSD值在实践中是不容易实现的。在这些情况下，我们将不得不使用某种滤波来限制带宽和抑制噪声。本文的其余部分介绍了降低电压基准噪声的技术。
具有降噪终端的电压参考IC
一些电压基准有专用的降噪端子。这些终端可以用来过滤噪声的参考和实现更高的性能。然而，需要注意的是，这类电压基准可能需要不同的电路来实现噪声滤波。没有一个单一的解决方案适用于所有这些电压参考。因此，在做任何事情之前，应该彻底研究设备数据表，以获得关于这个主题的任何明确信息。
在本节中，我们将看看TI的Ref50xx.具有降噪终端的家庭。下面的图3显示了这些电压参考的简化框图。
图3。图片礼貌德州仪器．
有两个主要的噪声源:带隙参考和输出缓冲/放大器。如您所见，图3中的TRIM端子连接到带隙块的输出。这使得我们可以将一个外部电容连接到TRIM终端，并在带隙电路的输出端创建一个低通滤波器。
根据这一点TI的文档，连接1μF电容将使总输出率噪声缩小为2.5倍。此外，我们可以将外部电容器添加到输出端子（V.出去）并创建低通滤波器。添加这两个电容器，我们获得图4所示的示意图。该设计适用于8至14位数据转换器。
图4。图片礼貌德州仪器．
10-μF电容器的等效串联电阻（ESR）很重要，因为该电容直接连接到采用反馈路径的内部OP-AMP的输出。具有低ESR（约0.1Ω），反馈系统几乎直接连接到大负载电容器。驱动大负载电容可以使OP-AMP略微稳定并导致增益峰值。但是，根据TI的文档， ESR约为1.5 Ω，我们可以避免稳定性问题。如果你想了解更多关于大负载电容器，我推荐这个来自模拟设备的视频要了解为什么相对较大的ESR可以使系统稳定。
注意，更大的增益峰值将导致参考输出处的较大噪声（参见图5）。
图5。图片礼貌德州仪器．
考虑到所有这些细节，我们应该在应用任何过滤技术抑制参考噪声之前彻底研究电压参考的数据表。
没有降噪端子的电压参考ic
对于没有降噪端子的电压参考，我们可以使用精密运放来实现低通滤波器。原理图如图6所示。
图6。图片礼貌电流源和电压参考．
正如您所看到的，单极低通滤波器由R2和C2处于精密放大器的输出。通过这种方式，我们可以避免通过电压参考IC驱动大的电容负载。虽然低通滤波器将抑制来自参考和OP-AMP的噪声，但我们仍需要OP-AMP非常低噪声，低偏移和低漂移。电阻应低TC精密类型，电容器应为高质量的聚丙烯电容器。
请注意，如图6所示，我们可以使用低成本的线性电压调节器，为参考和OP-AMP创建清洁电源电压。此外，选择R1C1= 2r.2C2提高过滤器的环路稳定性．
上述两种技术不是抑制电压参考噪声的唯一可能的解决方案。例如，您可以用更复杂的过滤器替换上述单极滤波器。请参阅本书第12章电流源和电压参考了解使用其他类型的过滤器。除此之外，您可以在制造商的应用笔记中找到有趣的技术。例如，一个Maxim综合教程解释了使用四个电压基准的堆栈将基准噪声降低到原来的2倍。
电压参考噪声的关键点
- 电压参考的噪声可以直接影响系统的噪声性能。它通常在两个不同的频段：1/ƒ区域(从0.1 Hz到10hz)和宽带区域(例如从10hz到1khz)。
- 我们可以在参考电压的输出处使用低通滤波器来显著抑制其噪声。与抑制宽带噪声相比，抑制宽带噪声相对容易1 /ƒ噪音。
- 我们通常假设由电压基准引用产生的噪声的峰值值小于系统的LSB的一半。
- 一些电压基准有专用的降噪端子。对于没有降噪端子的电压参考，我们可以使用精密运放来实现低通滤波器。
- 在应用任何过滤技术之前，我们应该彻底研究电压参考的数据表以抑制参考噪声。
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