自制Integrating ADC

ωωωω

今天做了一个积分ADC，也就是传统万用表上面那种。这种ADC具有比较简单的结构和比较好的性能，它的世界性能主要和运算放大器的电源电压挂钩，因为运放的噪声密度和电源电压无关，但是增加电压可以增加摆幅，所以性能会成比增长。
为了结构简单，所以先从低电压运放入手，这次选择了3.0V作为电源，用两个10欧姆电阻分压出1.5V中点。
3.0V由REF5030产生，经过由运放控制的一颗NMOS进行跟随，产生一个精密且可提供大电流的3.0V电压，这个电压同时作为板上所有器件的电源和电压基准。
积分电容外置，这是一种经过测试具有非常低介电吸收的电容，5颗并联，总容量100uF。VI转换电阻为10k欧姆，因此，1s的积分时间可以将电容电压充至1.0V，同时具有较低的电阻热噪声。

测试板如下图：






积分器附近的运放选用一种带电荷泵的轨到轨运放，型号为OPA328，这种运放由于只有单输入级，所以不存在Vos的跳变，具有很高的CMRR，如下图。



增益带宽积40MHz，平坦区噪声为5nV/√Hz，用它作为比较器，输出接100欧姆和10nF低通滤波，时间常数1us，带宽159kHz，单极点滤波器有1.57倍噪声系数，最终噪声约为3uV RMS，18uV p-p左右。所以可以预见的是，最终噪声大约也是这个数，以1V满量程来看，大约有5.5位性能，有点垃圾，不过作为单斜积分结构，也只能这样了。

噪声密度曲线：



Vos与Vcm的关系：



电路的整体设计是这样的，就是传统结构而已，t1是已知的，通过测量t2来反推输入电压。



对于不同的输入电压，t2时间不同，如下图：



我选用t1为1s，这是一个比较慢的速度，不过对于测试线性度来说很合适，线性度如下图：




注意，曲线上的单位为ppm，对于1V来说是1uV。
5.5位的分辨率为10ppm。所以可以看到在正负1V以内，完全具有5.5位线性度（10ppm），超过1V之后开始接近电源轨所以歪了。
由于噪声限制，线性度无法测量的更精确了，以后用高电源电压的板子再测。

1mV输入电压，其实就是短路噪声，如下图：



1分钟的波动为8uV，是5.5位的0.8个字。

然后是1V输入电压，也就是满量程电压，这包括了内部REF噪声和外部被测电压的噪声：



1分钟波动为12uV，是5.5位的1.2个字，其实还不错，没有比短路噪声多很多。
这里我采用了外部晶振，如果使用MCU内部时钟，由于抖动，满量程性能会下降几倍。

模拟开关是这个型号，虽然写的是用于数字信号，但是我看性能比其他模拟开关更适用于模拟信号，不知道为什么，而且价格超级便宜。



最后看一下细节，这是ADC部分：



这是MCU部分，空焊的器件与积分ADC无关，如下图：



以后会用全差分运放再做这个积分ADC，因为可以最大限度的提高比较器输入摆幅，看看能不能测出电容的介电吸收造成的线性误差。

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