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  • 用于PipelineADC的参考电压和参考电流的电路系统美国模拟器件(上海代表处)宋浩然摘要–稳定、精密的参考电压和参考电流是pipelineADC电路中必不可少的。尤其是系统工作在高速转换的情况下,设计如此的参考系统更成为...

    用于

    Pipeline ADC

    的参考电压和参考电流的电路系统

    美国模拟器件(上海代表处)

    宋浩然

    摘要

    稳定、精密的参考电压和参考电流是

    pipeline ADC

    电路中必不可少的。尤其是系统

    工作在高速转换的情况下,

    设计如此的参考系统更成为电子工程师的挑战。

    本文通过系统的

    设计方法,

    详细地介绍了参考电压电流系统的设计流程。

    最后,

    测试的结果验证了本文描述

    的系统的精度以及设计方法的高效性。

    关键字:电源

    ,

    模数转换器、参考电压、参考电流、系统设计方法

    I.

    简介

    目前许多通讯系统中需要高速、高分辨率的模数转换器。相比较其他结构的

    ADC

    ,流

    水线结构(

    pipeline

    )的

    ADC

    具有速度和功耗的优势。在每一级量化器和余量增益放大器都

    需要精密的参考电压。尤其是在多级并带有很大电容负载的高分辨率

    ADC

    上,增加了参考

    电压的负载。因此在高速、高分辨率的流水线

    ADC

    ,精密的参考电压必须要有缓冲器来保

    证一定的精度和建立时间,

    对于高速系统,

    需要参考电压保持精度和速度的情况下对电容进行充放电,

    这对电路设

    计工程师来说是一个很大的挑战。这也是很多高速

    ADC

    一般都采用外部的参考电压或参考

    电流的原因。

    因此本文着重于在此工作条件下参考电压和参考电流的设计,

    同时也贯穿了系

    统设计的方法。

    文章从设计目标到芯片测试,

    描述了整个设计流程。

    这种设计方法对模拟电

    路设计自动化也很有借鉴意义,

    尤其是对模拟电路的拓扑选择和产生。

    本文所描述的参考系

    统在实际的

    ADC

    电路中实现,测试结果显示电源抑制比和温度特性比较好,非常成功的集

    成在

    10bit

    采样率

    40MSPS

    pipeline ADC

    中。

    本文第二节描述系统的架构,

    第三节详细介绍系统的电路实现,

    第四节给出了测试结果,

    最后总结了本文的工作。

    展开全文
  • ADC参考电压3.3V,12864LCD显示
  • 今天在使用 STM32F407的ADC时遇到一个问题:ADC参考电压都是通过Vref+提供的并作为ADC转换器的基准电压。当我们使用的Vref+是直接取自用VDD电压时,当VDD电压波动比较大时或稳压性能比较差时,转换结果自然就不...

    问题

      今天在使用 STM32F407 的 ADC 时遇到一个问题:ADC 的参考电压都是通过 Vref+ 引脚提供的并作为ADC转换器的基准电压(部分 MCU 没有 Vref+ 引脚)。当我们使用的 Vref+ 是直接取自用 VDD 电压时,当 VDD 电压波动比较大时或稳压性能比较差时,转换结果自然就不准确了!

    供电方案

      MCU 的参考手册都会有一章节单独介绍 MCU 的电源管理,针对不同的 MCU(封装不同等)其外部电源如何连接也是有要求的,我们在 MCU 上一般都会发现如下引脚(注意不同 MCU 是有区别的):

    • VDD / VSS: VDD is the external power supply for the I/Os, the internal regulator and the system analog such as reset, power management and internal clocks. It is provided externally through VDD pins.
    • VDDA / VSSA: VDDA 是A/D转换器,D/A 转换器,参考电压缓冲器,运算放大器和比较器的外部模拟电源。 VDDA 电压电平与 VDD 电压无关。 不使用这些外设时,最好将 VDDA 连接到 VDD。
    • VBAT: 当不存在 VDD 时,VBAT 是 RTC,外部时钟 32kHz 振荡器和备用寄存器(通过电源开关)的电源。 对于没有专用引脚的小型封装,VBAT内部连接到了 VDD
    • VREF+ / VREF-: VREF+ 是 ADC 和 DAC 的输入参考电压。 使能后,它也是内部参考电压缓冲器的输出。当不使用 ADC 和 DAC 时,VREF+ 可以接地。VRE- 必须始终等于 VSSA。
      VREF- 和 VREF+ 引脚并非在所有封装中都可用。 如果封装上未提供它们,则它们在 MCU 内部分别与 VSSA 和 VDDA 相连。

    下面以 STM32F1 和 STM32F2 的 MCU 比较来具体看看。供电架构如下图所示:
    在这里插入图片描述
    不同的供电所管理的供电域
    在这里插入图片描述
    供电电压范围
    在这里插入图片描述

    1. VCC: C=circuit 表示电路的意思, 即接入电路的电压
    2. VDD: D=device 表示器件的意思, 即器件内部的工作电压;
    3. VSS: S=series 表示公共连接的意思,通常指电路公共接地端电压
    4. STM32 的 VDDA 和 VSSA 不能悬空,复位模块和 RC 振荡器需要 VDDA 和 VSSA。否则无法下载程序!

    电源引脚连接

    • VDD 引脚外接去藕电容连到外部稳压源
      • 一个最小值4.7uF、典型值 10uF 的钽电容或陶瓷电容
      • 每个 VDD 引脚再接一个100nF 的陶瓷电容
    • VBAT 引脚外接电池。若没有电池,推荐通过100nF的陶瓷电容连到VDD引脚
    • VDDA 引脚外接两个去藕电容
      • 一个 100nF 的陶瓷电容
      • 一个 1uF 的钽电容或陶瓷电容
    • VREF+ 引脚连到 VDDA
      • 若有单独的参考稳压源连接一个100nF 和 1uF 的电容
    • VCAP1 和 VCAP2 通常只各连接一个 2.2uF 的电容
      • 特殊封装上,可外接 1.2V 电源来旁路内部主电压调节器
        在这里插入图片描述

    ADC的参考电压

      ADC 可以主要有连个电源: 供电电源参考电源 。参考电源就是在转换数值时候的基准。在部分 MCU 的封装中,会有单独的一个 Vref 引脚,这个引脚就是提供参考电源的
    在这里插入图片描述
    我们可以把外部基准电压芯片(例如REF3133,输出的电压是标准的3.300V)连接到 Vref 引脚。一般 100 脚的 STM32 MCU(如上图STM32F4)都有 VREF 引脚。对于 100 脚以下的芯片,STM32 没有把 VREF 引脚引出来,而是直接在内部连接到了 VDDA 引脚。这样就导致了 ADC 的供电电源和参考电源实际是一个。

      注意,STM32 单片机上面有好多电源引脚,其中有若干 VDD 引脚,只有一个 VDDA 引脚,VDDA 引脚就是模拟供电引脚。不过,需要注意,VDDA 的电压不是随便定义的。例如,STM32F051 系列单片机就规定,VDDA 必须要大于或者等于 VDD 才可以正常工作,所以这时候,最好是给单片机 3.0V 供电,再给 VDDA 采用一个 3.3V 的基准电压芯片供电。
    在这里插入图片描述
    为啥会要求 VDDA 必须要大于或者等于 VDD?这是因为在 MCU内部 VDDA 和 ADC 的参考电压有联系。

    内部参照电压

      以上两种方法都需要外加基准电压芯片,在实际应用中,往往是 VDDA 引脚和 VDD 引脚连在一起,而没有 VREF 引脚的片子,内部 VREF 有是和 VDDA 接一起的,这就到了整片子都是由电源芯片供电。这个时候如果要提高 ADC 转换准确性该怎么办呢?

      针对上面这种情况,在每个 MCU 的内部,都有一个叫内部参照电压的东西。更关于该部分的介绍,位于对应 MCU 的 数据手册 中(不同MCU的 数据手册 介绍有多又少,同样是 STM32F0 的 数据手册 介绍更为详细),如下图:
    在这里插入图片描述
    但是这个值有可能也是不准确的,那怎么办呢?ST 提供了一个方案:STM32 可以通过配置将 VREFINT 接入到 ADC 内部的通道,然后我们就可以测量 VREFINT 到底是多少。MCU 不同具体链接的 ADC 引脚也是不同的。下面是 STM32F4 芯片的参考手册的说明:
    在这里插入图片描述
    在 MCU 出厂测试的时候,ST 为我们提供了一个校准值,校准过程是在外部供 3.3V 电源,将采样内部参考的 ADC 值写入到 MCU 固定的内存中去的在这里插入图片描述
    这样我们就可以用 ADC 实际采样,得到 VREFINT 的采样值,然后使用上面的校准值进行计算即可!

      关于使用内部参照电压的具体方法,只有部分芯片的参考手册中才能找到( 如下图是 STM32F0x ),其他 MCU 的参考手册都是很简单的几句说明。
    在这里插入图片描述
    更进一步,在计算其他通道的时候,我们就可以使用以上计算的 VDDA 来作为基准了!
    在这里插入图片描述
    需要特殊注意的是,在不同系列的芯片中,以上是有区别的,例如以下是 STM32L476 系列的
    在这里插入图片描述
    那么,VDDA = 3.0V x VREFINT_CAL / VREFINT_DATA 这个公式是咋么来的的呢?下面我们以上 STM32L476 这个图为例来推导一下。

    1. ST 通过配置将 VREFINT 连接到 ADC 后,则有:VREFINT = 3.0V * (VREFINT_CAL / 4095); VREFINT_CAL 就是校准条件下的 ADC 采样值
    2. 我们自己通过配置将 VREFINT 连接到 ADC:VREFINT = VDDA * (VREFINT_DATA / 4095);
    3. 因此,VDDA * (VREFINT_DATA / 4095) = 3.0 * (VREFINT_CAL / 4095);
    4. VDDA = 3.0V x VREFINT_CAL / VREFINT_DATA

    ADC转换时间

    在使用上面的方法时,必须要特殊注意ADC转换时间。否则采样值将出现较大偏差!先看看每个通道的总转换时间公式:每个通道总的转换时间 = TSampling + Tconversion

    • TSampling可配置:SMP@ADC_SMPRx,需要和外部电路的输入阻抗匹配(在对应的数据手册中会有详细说明)
      在这里插入图片描述
    • Tconversion取决于转换精度:RES@ADC_CR1,降低转换精度可提高转换速度
      在这里插入图片描述

    ADC总转换时间为:Ttotal = (SMP + RES) * ADCCLK

    • SMP:采样时间,需要和外部输入阻抗搭配
    • RES:转换精度,降低精度可提高速度
    • ADCCLK:ADC模块工作时钟
      • ADCCLK = APB2时钟分频(2,4,6,8)
      • ADCCLK最大值还受限于工作电压
        • VDDA=1.8~2.4V fADCmax = 15MHz
        • VDDA=2.4~3.6V fADCmax = 30MHz

    为什么要说ADC采样时间?因为上一节所讲的方法,对于采样时间是有限制的!!!

    • 温度传感器
      在这里插入图片描述
    • Vbat
      在这里插入图片描述
    • VREFINT
      在这里插入图片描述

    关于采样时间需要和外部输入阻抗搭配,参看下图和对应的 数据手册
    在这里插入图片描述

    参考

    1. STM32F4、STM32F0、STM32F1、STM32F2的 数据手册,参考手册
    2. ST的培训资料
    展开全文
  • 简介本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/21044.htm当前,许多通讯系统中需要...尤其是在多级并带有很大电容负载的高分辨率adc上,增加了参考电压的负载。因此对于高速、高分辨率的流水线adc,精密的参...

    简介本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/21044.htm

    当前,许多通讯系统中需要高速、高分辨率的模数转换器。相比较其他结构的adc,流水线结构(pipeline)的adc具有速度和功耗优势。每一级量化器和余量增益放大器都需要精密的参考电压。尤其是在多级并带有很大电容负载的高分辨率adc上,增加了参考电压的负载。因此对于高速、高分辨率的流水线adc,精密的参考电压必须要有缓冲器来保证一定的精度和建立时间,对于高速系统,需要参考电压保持精度和速度的情况下对电容进行充放电,这对电路设计工程师来说是一个很大的挑战,这也是很多高速adc一般都采用外部参考电压或参考电流的原因。本文着重于在此工作条件下参考电压和参考电流的设计,同时也贯穿了系统设计的方法。文章从设计目标到芯片测试,描述了整个设计流程。这种设计方法对模拟电路设计自动化也很有借鉴意义,尤其是对模拟电路的拓扑选择和产生。本文所描述的参考系统在实际的adc电路中实现,测试结果显示电源抑制比和温度特性比较好,非常成功的集成在10bit采样率40msps的pipeline

    adc中。

    本文第二节描述系统的架构,第三节详细介绍系统的电路实现,第四节给出了测试结果,最后总结了本文的论述。

    电路架构设计

    整个电路系统设计是使pipeline adc产生对工作电源电压、生产工艺和工作温度都不敏感的参考电压和电流。带隙基准源(bandgap)是在cmos工艺中常用的对温度不敏感的结构,系统中还需有电压电流转换电路(v/i

    converter)。一般流水线adc需要正负两个参考电平,因此需要电平移位电路(voltage shifter)产生所需的电压。为了保证高速高精度地对电容充放电,参考电压必须采用缓冲器来(reference

    buffer)得到必需的精度和建立时间。最后还需要低通滤波器(lpf)来达到系统输出的低噪声。整个系统架构如图1所示。

    首先,带隙结构(模块1)产生一个基本的对电源电压、生产工艺和工作温度都不敏感参考电压,后面是一个低通滤波器(模块2),再通过电压电流转换电路得到参考电流(模块3),电平移位电路(模块4)用来产生所需要的电压,最后采用两个缓冲器(模块5)作为电压驱动。电压电流转换的最简单办法是采用电阻,但是由于芯片上的集成电阻的工艺偏差可以达到

    20%,转而采用外部精密低温漂的电阻。

    电路实现

    模块1 - 带隙基准源

    图2是cmos工艺下带隙参考电压的电路图,主要是利用双极性晶体管基极、发射极的负温度系数和热电压(kt/q)的正温度系数进行工作。

    整个电路的工作原理是:由于运算放大器具有很高的直流电压增益,使通过r1、r2的电压相同,通过的电流反比于电阻值的大小,因此e-b结的电压差就是:

    vt 是热电压(kt/q, ~26 mv at 300 k),a1、a2分别是q1、q2发射极的面积。同时,这个电压也是通过r3的电压。

    因此,通过r2上的电压是:

    由于r1、r2上的电压相同,所以

    从上面的推导可以看出,输出电压是由负温度系数的基极集电极电压和正温度系数的热电压决定的。如果选定合适的r2、r3的大小,就可以得到零温漂的电压输出。

    高增益的运算放大器

    从上面电路可以看出,带隙电路中最关键的是保证r1、r2上的电压相同,这也就要求电路中放大器要有很高的直流增益和较大的输出驱动能力,而对信号带宽并没有较高的要求。图3所示就是放大器的结构图。放大器具有两级结构,第一级保证具有较高的增益,第二极具有较大的驱动能力。

    直流增益为:

    a0=gm1.rom9.gm10.rout(4)

    其中,gm1是输入管m1的跨导,rom9是m9的输出阻抗,rout是输出节点的等效输出阻抗。因此为了得到较高的直流增益,就需要增加四个参数,尤其是增加m11的沟道长度。为了保证放大器的稳定性,在第一级输出上增加一个电容(mc)。这个电容可以采用pmos管,来节省面积和提高电源抑制比。

    模块 2 - 低通滤波

    为保证有高精度直流电压输出,有必要在输出端加入低通滤波器。由于对带宽没有严格要求,简单的rc滤波器就可以了。同样,为了节省面积,电容可以采用mos管来实现。具体电路如图4。

    模块 3 - 电压电流转换器

    模块1产生的参考电压通过单位增益的缓冲器和外部精密的电阻就可以产生精密的电流源了。考虑到外部电阻很难估计的寄生电容、电感以及封装的影响,缓冲器应该以跟随器的形式来保证稳定。图5是电压电流转换的拓扑结构。缓冲器可以采用上文中所描述的电路来实现。

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  • STM32 之 供电系统及内部参照电压(VREFINT)使用及改善ADC参考电压 发布时间:2018-12-21 10:50, 浏览次数:1553, 标签:STMVREFINTADC <>问题 今天在使用 STM32F407的ADC时遇到一个问题:ADC的参考电压都...

    STM32 之 供电系统及内部参照电压(VREFINT)使用及改善ADC参考电压

    发布时间:2018-12-21 10:50, 浏览次数:1553 , 标签: STM VREFINT ADC


    <>问题

    今天在使用
    STM32F407的ADC时遇到一个问题:ADC的参考电压都是通过Vref+提供的并作为ADC转换器的基准电压。当我们使用的Vref+是直接取自用VDD电压时,当VDD电压波动比较大时或稳压性能比较差时,转换结果自然就不准确了!

    <>供电方案

    MCU的参考手册都会有一章节单独介绍MCU的电源管理,针对不同的MCU(封装不同等)其外部电源如何连接也是有要求的,我们在MCU上一般都会发现如下引脚:

    * VDD = 2.0 to 3.6 V: external power supply for I/Os and the internal
    regulator. Provided externally through VDD pins.
    * VSSA, VDDA = 2.0 to 3.6 V: external analog power supplies for ADC, reset
    blocks, RCs and PLL (minimum voltage to be applied to VDDA is 2.4 V when the
    ADC is used). VDDA and VSSA must be connected to VDD and VSS, respectively.
    * VBAT = 1.8 to 3.6 V: power supply for RTC, external clock 32 kHz oscillator
    and backup registers (through power switch) when VDD is not present.
    * VREF+: 正模拟参考电压输入(部分芯片没有个引脚)
    下面以 STM32F1 和 STM32F2 的 MCU 比较来具体看看
    供电架构如下图所示:

    不同的供电所管理的供电域

    供电电压


    * VCC: C=circuit 表示电路的意思, 即接入电路的电压
    * VDD: D=device 表示器件的意思, 即器件内部的工作电压;
    * VSS: S=series 表示公共连接的意思,通常指电路公共接地端电压
    * stm32的VDDA和VSSA不能悬空,复位模块和RC振荡器需要VDDA和VSSA。否则无法下载程序!
    <>电源引脚连接

    * VDD引脚外接去藕电容连到外部稳压源
    * 一个最小值4.7uF、典型值10uF的钽电容或陶瓷电容
    * 每个VDD引脚再接一个100nF的陶瓷电容
    * VBAT引脚外接电池。若没有电池,推荐通过100nF的陶瓷电容连到VDD引脚
    * VDDA引脚外接两个去藕电容
    * 一个100nF的陶瓷电容
    * 一个1uF的钽电容或陶瓷电容
    * VREF+引脚连到VDDA
    * 若有单独的参考稳压源连接
    一个100nF和1uF的电容
    * VCAP1和VCAP2通常只各连接一个2.2uF的电容
    * 特殊封装上,可外接1.2V电源来旁路内部主电压调节器

    <>ADC的参考电压

      在部分MCU的封装中,会有单独的一个Vref引脚

    我们可以把外部基准电压芯片(例如REF3133,输出的电压是标准的3.300V)连接到Vref引脚。一般100脚的STM32
    MCU(如上图STM32F4)都有VREF引脚。

      对于100脚以下的芯片,STM32没有把VREF引脚引出来,所以,我们只能把基准电压芯片连接到VDDA引脚。注意,STM32单片机上面有好多电源引脚,其中有若干VDD引脚,只有一个VDDA引脚,VDDA引脚就是模拟供电引脚。不过,需要注意,VDDA的电压不是随便定义的。例如,STM32F051系列单片机就规定,VDDA必须要大于或者等于VDD才可以正常工作,所以这时候,最好是给单片机3.0V供电,再给VDDA采用一个3.3V的基准电压芯片供电。


    <>内部参照电压


      以上两种方法都需要外加基准电压芯片,在实际应用中,往往是VDDA引脚和VDD引脚连在一起,都是由电源芯片供电。这个时候如果要提高ADC转换准确性该怎么办呢?
      在每个MCU的内部,都有一个叫内部参照电压的东西。关于该部分的介绍,位于对应 MCU 的 数据手册 中(不同MCU的 数据手册
    介绍有多又少,同样是STM32F0的数据手册 介绍更为详细),如下图:


    内部参考电压在芯片出厂时已经校准过精度了!且不同的MCU是有可能不同的!其厂内校准过程是在外部供3.3V电源,将采样内部参考的ADC值写入到固定的内存中去(如上地址,不同MCU具体位置可能不同)!而我们就可以利用这个来校准自己的ADC。

      STM32的ADC内部都有一个参考电压引脚,可以通过配置,把这个脚连接到ADC输入引脚,是内部连接。然后再计算实际的VDDA值。MCU不同具体链接的ADC引脚也是不同的。下面是STM32F4芯片的
    参考手册的说明:

    这样我们就可以用ADC实际采样,得到VREFINT的采样值,然后使用上面的校准值进行计算即可!
      关于使用内部参照电压的具体方法,只有在STM32F0x芯片的参考手册中才能找到,其他MCU的参考手册都是很简单的几句说明。

    更进一步,在计算其他通道的时候,我们就可以使用以上计算的VDDA来作为基准了!


    <>ADC转换时间

    在使用上面的方法时,必须要特殊注意ADC转换时间。否则采样值将出现较大偏差!先看看每个通道的总转换时间公式:每个通道总的转换时间 = TSampling +
    Tconversion

    * TSampling可配置:SMP@ADC_SMPRx,需要和外部电路的输入阻抗匹配(在对应的数据手册中会有详细说明)

    * Tconversion取决于转换精度:RES@ADC_CR1,降低转换精度可提高转换速度

    ADC总转换时间为:Ttotal = (SMP + RES) * ADCCLK

    * SMP:采样时间,需要和外部输入阻抗搭配
    * RES:转换精度,降低精度可提高速度
    * ADCCLK:ADC模块工作时钟
    * ADCCLK = APB2时钟分频(2,4,6,8)
    * ADCCLK最大值还受限于工作电压
    * VDDA=1.8~2.4V fADCmax = 15MHz
    * VDDA=2.4~3.6V fADCmax = 30MHz
    为什么要说ADC采样时间?因为上一节所讲的方法,对于采样时间是有限制的!!!

    * 温度传感器

    * Vbat

    * VREFINT

    关于采样时间需要和外部输入阻抗搭配,参看下图和对应的 数据手册


    <>参考

    * STM32F4、STM32F0、STM32F1、STM32F2的 数据手册,参考手册
    * ST的培训资料

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  • 由于拥有较高的分辨率和采样率,SAR型ADC一直被众多工业和汽车客户所亲睐。但是SAR型ADC由于其特殊的特性,所以对外围电路也相应的提出很多“特殊需求”。首先就是抗混叠电路的需求。例如当电路中的SAR型ADC采样率为...
  • 打好基础很重要,这个专题我们来了解下电压相关的知识。...1、基于单片机智能电压表,交流电压表,电能计量基于STC15单片机的智能电压表设计,可测单路直流电压,多路直流电压,测量交流电压,频率,二次开发...
  • ADC输出处理千万小心,“接地技术指南”奉上 2019-09-18 将数据缓冲器放置在转换器旁不失为好办法,可将数字输出与数据总线噪声隔离开(如图 1 所示)。数据缓冲器也有助于将转换器数字输出上的负载降至最低,同时提供...
  • 正如不同实现方式所示,存在寄生R、C和失配造成的不同 频率特性。记住,工艺也在不断变小,随着工艺的变小,...何谓电源抑制当供电轨上有噪声时,决定ADC性能的因素主要有三个, 它们是PSRR-dc、PSRR-ac和PSMR。PSRR...
  • ◇采用16bit高速ADC,快速准确测量电压、电流值; ◇具有恒压、恒流、恒功率模式输出,可自动交叉变换,维持控制与保护兼顾特性; ◇具有过压、过流、过温、短路保护功能,在系统中,可设定过压(OVP),过流(OCP),并可对...

空空如也

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