常被忽略的那80%重点，SAR-ADC 电压基准电路 part II

guitarhua 2016-04-02

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上文part1详细分析了为什么SAR-ADC的电压基准电路设计是设计重点的80%。下面我们就开始设计一个高质量的电压基准。虽然TI的相关英文应用手册对这部分有分析，我还是想详细的一步一步的分析一下这个过程，以便尽量让大家看的更清楚。

(1) 基准源的Trim引脚加退耦电容。

这一点被很多的工程师所忽略。可能是看到基准源的datasheet的应用电路中（如下图是REF50XX系列的datasheet），没有加电容，就参照上面的电路设计了。

让我们再进一步的看一下REF50XX系列bandgap基准源的内部，如下图，芯片内部有一个1.2V的带隙基准，和一个用于设置精确输出电压的放大器。这两个就是基准噪声的主要来源。并且带隙基准的噪声还要经过后面的放大电路再放大一次。

根据噪声系数（NF）理论，最前级的噪声往往决定信号链路的噪声。因此越在前级减少噪声越有效。如果我们在Trim引脚加一个电容，它将与内部的1K欧电阻形成一个低通滤波器。它将给 bandgap增加一个14.5Hz的极点和160Hz的零点。如果想进一步降低带宽可以加更大的电容。这里即使加一个1uF的电容到trim引脚，都会使总的输出RMS噪声减小2.5倍，2.5倍啊。多么超值的一个电容。上面用理论分析了这个电容的作用，还是缺乏些说服力。下面是TI的工程师的测试数据，由测试结果可见在Trim引脚加了电容的基准源输出噪声大大的降低了。因此这个电容，是非常超值的。

(2) 基准源输出端选用大电容，最好是ESR大的电容

开篇图中的10uF电容是用来储存足够多的电荷，以备ADC内部转化电容抽取时，保证基准源电压的稳定。有些工程师可能会知道，SAR-ADC内部的采样电容和转化电容的值一般为几十个pF。10uF的电容储存的电量给几十个pF提供电荷简直是小菜一碟。大家要知道，对于16bits的ADC，如查基准有15ppm（百万分之十五）的波动，就是一个LSB。因此要保证输送给内部转化电容充分电荷时，基准电压的稳定，就要使用大的电容。所以这个电容推荐值都是在uF级（一般选10uF）。现在明白了，这个电容，不单单是给基准源滤波，它肩负着更重要的使命，为ADC的转化电容输送电荷。

这个电容的选取又会引出一个新问题，我们该选ESR小的瓷片电容（ESR约为0.1欧），还是ESR大的钽电容（ESR约为1.5欧）。照经验来说，电容的ESR越小越好。但对于基准源的输出端电容，可不是这样的。我们再看一眼基准源的内部结构，就可以看出，这个电容是作为基准源内部buffer放大器的负载而接到输出端的。运放的输出端接大电容，好像不太保险，是的，这会引起运放的不稳定。因为它与运放的输出电阻形成一个新的极点，这个极点频率会很低。因此这一点应该选择ESR大的电容，构成电路如下图，这个ESR会对电路进行滞后补偿。