摘要：本文討論了針對超聲成像系統空間受限特點定制的兩個成功應用的基準電路，這兩個方案均采用一個基準源為多個模/數轉換器（ADC）供電。最后，對這兩個電路進行了測試，測試結果將在后續的應用筆記中進行討論。

多模/數轉換器（ADC）系統所能達到的精度直接取決于ADC的基準電壓。舉例來講，醫療超聲成像系統通常會在其接收器的波束成形電路中包含大量的ADC，常常以16、24、32等為一組。要得到最高的波束精度，需要最大限度地減小波束成形通道的誤差。如果每個獨立ADC上的基準電壓精度較差，則會影響整個系統的性能，此外包含多個獨立的阻性和容性負載的分布式負載也會影響系統的性能。有多種方案可為這種ADC陣列提供基準電壓：

獨立的片上基準：盡管這種方式為每個ADC提供了方便的本地連接，但轉換器之間的匹配度相對較差。

一個單一的外部基準電壓供給ADC陣列的所有基準輸入：這種結構允許用戶設計一個隨意精度的外部基準電壓，但仍存在由于階梯電阻中的微小變化所產生的誤差（每個ADC內置一個階梯）。

一個外部基準直接驅動ADC的基準階梯抽頭：這種方式由于直接控制供給每個ADC階梯的基準電壓，因而具有最高的增益精度。然而，需要驅動（相對）較低的階梯電阻，而且很多ADC不允許接入到內部偏置點。

ADC精度

許多應用中，增益和噪聲電平是影響ADC精度的主要因素。ADC的增益用傳輸函數的斜率表示，反映了模擬輸入與所允許的數字輸出代碼之間的關系。一種評估增益的方法是測量滿量程（FS）輸入范圍，它直接受基準電壓的控制。對于醫療超聲成像系統，ADC滿量程范圍的變化會導致波束成形誤差。它還會改變ADC的鉗位點—影響某些信號解調電路的重要因素。

ADC的噪聲電平確定了可利用的動態范圍，一般情況下應該盡量提高系統的動態范圍。ADC噪聲的基準噪聲成分可以是加性噪聲或乘積性噪聲，利用每個ADC的本地旁路電容可以很容易地濾除加性噪聲，這種方式已在大多數設計中用來優化ADC的動態特性。

另一方面，乘積性噪聲更為隱蔽。對于超聲應用，音頻段中的基準噪聲會調制射頻段的強“靜止”信號，這種信號由超聲目標中的靜止組織產生。音頻調制在射頻信號上產生的邊帶被多普勒探測器解調，在檢波后的多普勒輸出信號中產生音頻干擾。

為估算超聲應用中所允許的音頻噪聲，假定將一個接近滿量程的射頻信號施加到一個10位ADC如MAX1448。該器件的動態范圍（接近60dB）預示-60dBFS的噪聲基底。將該噪聲電平折合到1Hz帶寬。對于80MHz的采樣速率，奈奎斯特帶寬為40MHz。修正因子為√（40MHz） = 76dB，這使ADC的噪聲基底成為-60dBFS - 76dBFS = -136dBFS。保守設計要求基準電壓噪聲至少低出20dB （-156dBFS），這樣，一個+2.0V的基準電壓，其噪聲電平需低至33nVP-P （約8nVRMS/√Hz）。

多ADC陣列所需基準電壓的精度可能高于各轉換器的內部基準（例如，MAX144x轉換器的內部基準精度為±1%）。下述兩個電路可用于上述陣列的基準設計。它們帶有一路公用的低頻噪聲濾波器，利用各個ADC的本地去耦電容改善高頻噪聲抑制。

單一外部基準

基于MAX144x系列的多轉換器系統非常適合采用一個公共的基準電壓。這些轉換器的REFIN引腳能夠直接與外部基準源連接，無需修改任何電路。而且，REFIN的高輸入阻抗（即使在多個REFIN端并聯時）僅吸取極小的負載電流。

精密基準源如MAX6062 （IC1）可提供+2.048V外部直流電平（圖1），噪聲電壓密度為150nV/√Hz。其輸出經過一個單極點低通濾波器（截止頻率10Hz）送入一個MAX4250這樣的運放（IC2），并在其輸出饋入第二級10Hz低通濾波器之前進行緩沖。IC2 （MAX4250）具有低失調電壓（可獲得高增益精度）和低噪聲電平。緩沖器之后的10Hz無源濾波器衰減由電壓基準和緩沖器產生的噪聲。經濾波后的噪聲密度，其中較高頻率的噪聲被降低了，能夠符合高精度ADC對噪聲電平的要求。

圖1. 超聲應用中，采用單個低噪聲基準電路驅動多達1000個ADC。

MAX144x系列的轉換器典型增益誤差為±4.4% （優于±0.5dB）。該性能優于超聲接收器信號通道中所有其它模塊的增益容差。因為所有有源部件由同一電源電壓驅動，因此能夠保證適當的上電/掉電順序。該方案以最少的電路獲得出色的增益匹配和非常低的噪聲電平，滿足大多數采用多路增益匹配ADC系統的要求。

產生一個精密的外部基準

對于增益匹配度要求更嚴格的應用（圖2），MAX144x系列同樣非常適合。將REFIN引腳接模擬地可以禁止各器件的內部基準，允許一組外部基準源直接驅動內部基準階梯。這些電壓可具有任意的精度，ADC可跟隨它們至0.1%以內。該系列的ADC階梯基準連接端具有4kΩ的電阻，即使在多個ADC并聯時也能夠很容易地驅動負載。

圖2. 還是在超聲應用中，采用一個精密、低噪聲的基準電路驅動多達32個ADC。

精密基準源如MAX6066 （IC1）產生+2.500V的直流電壓，后接10Hz低通濾波器和精密分壓器，分壓器經過緩沖的輸出被設置為+2.0V、+1.5V和+1.0V，其精度與分壓電阻的容差有關。

這三個電壓由四運放IC2 （MAX4254）緩沖，因為它具有較低的噪聲和直流失調。各輸出電壓接10Hz低通濾波器可濾除基準電壓噪聲和緩沖放大器的噪聲，使噪聲電平低至3nV/√Hz。+2.0V和+1.0V的基準電壓將相關ADC的差分滿量程范圍設置在2VP-P。+2.0V和+1.0V緩沖器驅動它們之間的ADC內部階梯電阻：4kΩ除以電路中的ADC個數。例如，32個ADC將從這些基準源吸取8mA電流—負載電流遠未超出IC2 （MAX4252）的容量。這種結構的增益精度由IC1 （這里是：MAX6066）的精度等級和分壓器的電阻容差確定，可以達到較高的精度。該電路每個ADC的增益匹配度為0.1% （典型值）。100Hz頻點噪聲電平低于3nV/√Hz，能夠提供出色的性能指標。與圖1相同，所有有源器件采用同一電源供電，上電或掉電時無需考慮供電順序。

運放輸出匹配度優于0.1%，采用同樣的緩沖器和后續低通濾波器能夠支持高達32路ADC。對于需要32路以上匹配ADC的應用，建議對所有轉換器采用一個公用的電壓基準和分壓器。

總結

對于需要大量數據轉換器、而且對通道間匹配度要求較高的系統需要認真對待其電壓基準的設計。采用同一高精度、低噪聲基準源驅動所有ADC能夠獲得高精度匹配。MAX144x系列10位ADC提供了靈活的基準輸入和出色的動態特性，不失為這種應用的首選方案。