降低基准输出噪声的低通滤波器电路详解

要获得ADC的最佳SNR性能并不仅仅是给ADC输入提供低噪声信号，提供一个低噪声基准电压是同等重要。虽然基准噪声在零标度没有影响，但是在全标度，基准上的任何噪声在输出代码中都将是可见的。对于某个给定的ADC，在零标度测量的动态范围（DR）之所以通常比在全标度或接近全标度测量的信噪比（SNR）高出几个dB，原因即在于此。在ADC的SNR有可能超过140dB的过采样应用中，提供一个低噪声基准电压是特别重要。如欲实现这种水平的SNR，即使是最好的低噪声基准也需要一些帮助以降低其噪声电平。

能够降低基准噪声的替代方案有几种。增加旁路电容器的大小或在基准输出端上采用一个简单的低通RC滤波器不是良好的替代方案。基准输出端上一个大的旁路电容器本身不能产生一个足够低的有效截止频率。无源RC滤波器本身虽可提供一个低的截止频率，但是会产生一个随着采样频率和温度而变化的输出电压。并联多个低噪声基准的输出是一种有效的替代方案，不过这种做法成本昂贵且功耗很大。

这里介绍的基准滤波器可在不明显损害基准准确度或温度系数的情况下产生一个低噪声基准电压，而且仅以适中的功耗和成本就可做到这一点。

电路描述

本例中所使用的ADC是LTC2508-32（U1）。LTC2508-32是一款具有一个低通数字滤波器的低噪声、低功率、32位SARADC，该滤波器具有4种引脚可选且范围从256至16384的降频采样因子（DF）。有必要采用一个低噪声、低温度漂移基准以实现LTC2508-32的全面性能。

在本例中采用的基准是LTC6655-5（U2）。LTC6655-5提供高准确度（±0.025%最大值）、异常低的噪声（0.67ppmRMS典型值）和漂移（2ppm/°C最大值）性能。即使其拥有异常低的噪声性能，LTC6655-5仍然降低了LTC2508-32的SNR性能。

LTC2057（U3）是一款抑制了1/f噪声的零漂移运放。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/°C的最大失调电压温度系数。这明显低于LTC6655-5的温度系数（2ppm/°C=10μV/°C）。

LT6202（U4）是一款低噪声、快速稳定运放，其拥有必要的高短路电流耐受能力，以驱动LTC2508-32REF引脚上所需的47μF旁路电容器。

图1：经过滤波的LTC6655-5输出使LTC2508-3232位ADC的SNR增加6dB电路性能

图1中的电路采用R2和C3形成一个0.8Hz滤波器，以对基准（U2）的输出进行滤波。电容器C3应当是一个薄膜电容器。钽电容器和电解电容器具有高漏泄，因而将在R2的两端产生一个偏移。陶瓷电容器会呈现微音器效应，这在低频条件下会导致噪声的增加。滤波输出由U3的高阻抗输入进行缓冲。U3的200pA最大IB在R2的两端产生一个仅2μV的最大电压降。这与LTC2057的失调电压组合起来产生一个6μV的最大误差，与LTC6655-5的0.025%（1.25mV）最大初始准确度规格相比，这是相对微不足道。U3和U4形成了一个复合放大器，其具有LTC2057的低失调、失调温度系数和得到抑制的1/f噪声、以及LT6202的快速稳定特性。U1的REF引脚从C1抽取电荷，抽取的电荷量随采样速率和输出代码而变化。U4必须补充该电荷以保持REF引脚电压的固定。R5用于把U4和C1隔离开来以改善REF引脚上的稳定。电压和温度额定值较高且物理尺寸较大的陶瓷电容器具有较低的电压系数，从而提供一个较高的有效电容。由于这个原因，C1应该是一个1210尺寸和10V额定电压的X7R型陶瓷电容器。

如表1所示，LTC2508-32表现出几乎像理论的运行方式，当ADC输入连接在一起且REF引脚由LTC6655-5直接驱动时，降频采样因子每增加4倍，动态范围增大差不多6dB。表1另外还显示，当ADC驱动至接近全标度时，SNR比DR小了多达7.8dB（采用LTC6655-5直接驱动ADCREF引脚）。这是由于基准的噪声所致。采用图1所示电路驱动LTC2508-32的REF引脚可实现高达6.1dB的SNR改善幅度，如表1所示。

表1：由LTC6655-5和经过滤波的LTC6655-5直接驱动REF引脚时LTC2508-32的SNR比较（采用图1中的电路）

诸如LTC2057等斩波稳定式运放常常显示出位于斩波频率及其奇次谐波的音调。LTC2057运用电路以把这些人为干扰抑制在远低于失调电压。该电路与ADC自己的滤波器组合工作，以把任何可见音调从运放的斩波频率中消除，如图2的噪声层曲线图所示。图2中给出的曲线图是5次数据捕捉的平均值，旨在使噪声层平滑，以显露甚至任何杂散音调最小的痕迹。

图2：靠近FS的LTC2508-32噪声层显示，采用图1所示电路来驱动REF引脚时无杂散音调

结论

本文说明了一款滤波器电路，该电路可在不损害其准确度或温度系数的情况下降低基准输出噪声，并且仅要求适中的功耗和成本。与采用基准直接驱动ADC相比，把该电路的输出加至LTC2508-32的基准引脚，可在一个降频采样因子范围内使32位低噪声ADC的SNR性能指标改善多达6.1dB。
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