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¿Trabajando con una referencia de voltaje de bajo ruido? Obtenga más información sobre las especificaciones de ruido y los IC de referencia de voltaje relevantes.

Muchos sistemas, como los convertidores de datos, las fuentes de alimentación y los sistemas de medición y control, necesitan referencias de voltaje para producir un voltaje estable. La precisión de estos sistemas se verá afectada directamente por la precisión del voltaje de referencia producido.

En un artículo anterior sobre el coeficiente de temperatura de las referencias de voltaje, vimos que la especificación de tempco se puede usar para determinar el error máximo inducido por la temperatura en la salida de una referencia de voltaje.

En este artículo, echaremos un vistazo a la especificación de ruido de una referencia de voltaje.

¿Por qué es importante el ruido de referencia?

Como ejemplo, consideremos usar una referencia de voltaje para establecer el valor de escala completa de un ADC de tres bits. El valor de escala completa representa el rango de voltajes que el ADC es capaz de codificar.

La característica de transferencia de un ADC de tres bits se muestra en la Figura 1.

Figura 1. Imagen cortesía de Texas Instruments.

Como puede ver, la transición de un código digital al siguiente no ocurre exactamente en un valor de la entrada analógica, hay una pequeña región de incertidumbre. En otras palabras, si medimos el punto de transición de un código a otro varias veces, no obtendremos un solo valor de umbral para la entrada analógica. Recuerde que un ADC utiliza comparadores analógicos para comparar la entrada analógica con un voltaje conocido creado a partir del voltaje de referencia. El ruido generado por los diferentes componentes dentro de la estructura del ADC conduce al ruido de transición representado en la Figura 1.

De manera similar, el ruido en el voltaje de referencia puede afectar la salida de los comparadores analógicos. Por lo tanto, una referencia de voltaje ruidosa puede aumentar aún más el ruido de transición. El ruido de transición aumentará el nivel de ruido en la salida del convertidor por encima de lo que esperamos de un convertidor ideal. Por lo tanto, el ruido de la referencia de voltaje es un parámetro importante que afecta directamente la relación señal a ruido (SNR) del sistema en general.

Si desea obtener más información sobre el ruido de referencia en relación con los ADC, consulte Cómo afecta el ruido de referencia del voltaje a los ADC de Delta Sigma de la serie de Texas Instruments.

Especificaciones de ruido para una referencia

Algunos fabricantes especifican el ruido de una referencia de voltaje como un valor pico a pico en el 1 / ƒ región (por lo general, desde 0,1 Hz a 10 Hz). Algunos otros caracterizan el ruido RMS de banda ancha en un rango de frecuencia específico (por ejemplo, de 10 Hz a 1 KHz).

La forma más útil es proporcionar el gráfico de la densidad espectral de voltaje de ruido ($$ nV / sqrt {Hz} $$) en función de la frecuencia (como se ve en la Figura 2 a continuación). Nota la 1 / ƒ y las regiones de ruido de banda ancha que se muestran en la Figura 2.

Figura 2. Imagen cortesía de Texas Instruments.

Podemos emplear un filtro de paso bajo en la salida de una referencia de voltaje para suprimir significativamente su ruido. La supresión del ruido de banda ancha es relativamente más fácil en comparación con la supresión del ruido de banda ancha. 1 / ƒ ruido porque para el 1 / ƒ región, necesitamos un filtro con un ancho de banda mucho menor de -3dB. La frecuencia de esquina extremadamente baja requiere grandes condensadores y resistencias. Un condensador grande puede exhibir una mayor corriente de fuga y provocar un error de voltaje y una inestabilidad a largo plazo.

Al evaluar el rendimiento de ruido de una referencia de voltaje, generalmente necesitamos convertir el ruido de pico a pico al valor RMS y viceversa. Para este fin, dependiendo de cómo definamos el valor de pico a pico, podemos usar cualquiera de estas dos fórmulas 6 × V_{ruido, rms} = V_{ruido, p-p} o 6.6 × V_{ruido, rms} = V_{ruido, p-p}. Por favor vea este video de Analog Devices para más detalles.

También es posible que debamos convertir la densidad espectral de potencia de ruido ($$ nV / sqrt {Hz} $$) al valor RMS. Para hacer esto, multiplicamos la raíz cuadrada del ancho de banda del sistema por la densidad espectral de ruido (PSD), es decir, $$ V_ {noise, rms} = PSD times sqrt {BW} $$. Por favor, vea este video ADI adicional para obtener información sobre los supuestos que conducen a esta ecuación.

Como ejemplo, si la densidad espectral de ruido de una referencia de voltaje es $$ 100nV / sqrt {Hz} $$ y el ancho de banda del sistema está limitado a 10 kHz (por ejemplo, aplicando un filtro de paso bajo), el ruido El valor RMS será $$ 100 frac {nV} { sqrt {Hz}} times sqrt {10,000Hz} = 10µV $$. El ruido equivalente de pico a pico será de aproximadamente 60 µV.

¿Cuánto ruido de referencia podemos tolerar?

Supongamos que estamos usando una referencia de voltaje para establecer el valor de escala completa de un ADC de N bits. ¿Cómo podemos determinar la densidad espectral de ruido requerida para la referencia de voltaje de este sistema? En tales casos, podemos suponer que el valor pico a pico del ruido es menos de la mitad del bit menos significativo o LSB (donde $$ LSB = frac {V_ {REF}} {2 ^ N} $$) :

$$ V_ {ruido, p-p} ≤ frac {1} {2} times frac {V_ {REF}} {2 ^ N} $$

Usando la ecuación mencionada anteriormente $$ 6 times V_ {noise, rms} = V_ {noise, p-p} $$, obtenemos:

$$ V_ {ruido, rms} ≤ frac {1} {12} times frac {V_ {REF}} {2 ^ N} $$

Teniendo en cuenta la ecuación $$ V_ {noise, rms} = PSD times sqrt {BW} $$, llegamos a:

$$ PSD≤ frac {1} {12} times frac {V_ {REF}} {2 ^ N times sqrt {BW}} $$

Por ejemplo, supongamos que tenemos un sistema de 12 bits con un valor de escala máxima de 5 V y el ancho de banda es de 100 KHz. Usando la ecuación anterior, observamos que la referencia de voltaje debe tener una densidad de ruido inferior a $$ 322nV / sqrt {Hz} $$. Para un sistema de alta resolución, la ecuación anterior puede proporcionar valores de PSD que no son fáciles de alcanzar en la práctica. En estos casos, tendremos que usar algún tipo de filtrado para limitar el ancho de banda y suprimir el ruido. El resto del artículo echa un vistazo a las técnicas de reducción de ruido de referencia de voltaje.

IC de referencia de voltaje con terminales de reducción de ruido

Algunas referencias de voltaje tienen terminales de reducción de ruido dedicados. Estos terminales se pueden utilizar para filtrar el ruido de la referencia y lograr un mayor rendimiento. Sin embargo, se debe tener en cuenta que cada referencia de voltaje en esta categoría puede requerir diferentes circuitos para implementar el filtrado de ruido. No hay una solución única aplicable a todas estas referencias de voltaje. Por lo tanto, antes de hacer nada, se debe estudiar detenidamente la hoja de datos del dispositivo para obtener información explícita sobre este tema.

En esta sección, analizaremos la familia REF50xx de TI que tiene terminales de reducción de ruido. La Figura 3 a continuación muestra un diagrama de bloques simplificado para estas referencias de voltaje.

Figura 3. Imagen cortesía de Texas Instruments.

Existen dos fuentes principales de ruido: la referencia de intervalo de banda y el búfer / amplificador de salida. Como puede ver, el terminal TRIM de la Figura 3 está conectado a la salida del bloque de intervalo de banda. Esto nos permite conectar un condensador externo al terminal TRIM y crear un filtro de paso bajo en la salida del circuito de banda prohibida.

De acuerdo con los documentos de TI, la conexión de un condensador de 1 μF reducirá el ruido RMS de salida total en un factor de 2.5. Adicionalmente, podemos agregar un capacitor externo al terminal de salida (V_AFUERA) y crea un filtro de paso bajo. Al agregar estos dos condensadores, obtenemos el esquema que se muestra en la Figura 4. Este diseño es adecuado para un convertidor de datos de 8 a 14 bits.

Figura 4. Imagen cortesía de Texas Instruments.

La resistencia en serie equivalente (ESR) del capacitor de 10 μF es importante porque este capacitor está conectado directamente a la salida del amplificador operacional interno que emplea una ruta de retroalimentación. Con un ESR bajo (alrededor de 0,1), el sistema de retroalimentación está conectado casi directamente a un capacitor de carga grande. Conducir un capacitor de carga grande puede hacer que el amplificador operacional sea ligeramente estable y llevar a un pico. Sin embargo, de acuerdo con los documentos de TI, con un ESR de aproximadamente 1.5 Ω, podemos evitar el problema de estabilidad. Si desea obtener más información sobre los capacitores de carga grande, recomiendo este video de Analog Devices para saber por qué un ESR relativamente grande puede hacer que el sistema sea estable.

Tenga en cuenta que un aumento de ganancia mayor conducirá a un ruido mayor en la salida de referencia (consulte la Figura 5).

Figura 5. Imagen cortesía de Texas Instruments.

Teniendo en cuenta todos estos detalles, deberíamos estudiar detenidamente la hoja de datos de una referencia de voltaje antes de aplicar cualquier técnica de filtrado para suprimir el ruido de referencia.

IC de referencia de voltaje que no tienen terminales de reducción de ruido

Para las referencias de voltaje que no tienen terminales de reducción de ruido, podemos usar un amplificador operacional de precisión para implementar un filtro de paso bajo. El esquema se muestra en la Figura 6.

Figura 6. Imagen cortesía de Fuentes de Corriente y Referencias de Voltaje.

Como puede ver, el filtro de paso bajo de un solo polo creado por R₂ y do₂ Está en la salida del amplificador de precisión. De esta manera, podemos evitar que una gran carga capacitiva se active mediante el IC de referencia de voltaje. Si bien el filtro de paso bajo suprimirá el ruido que proviene tanto de la referencia como del amplificador operacional, todavía necesitamos que el amplificador operacional sea de muy bajo nivel de ruido, baja desviación y baja desviación. Las resistencias deben ser de baja precisión de tipo TC y los condensadores deben ser condensadores de polipropileno de alta calidad.

Tenga en cuenta que, como se muestra en la Figura 6, podemos usar un regulador de voltaje lineal de bajo costo para crear una tensión de alimentación limpia tanto para la referencia como para el amplificador operacional. Además, eligiendo R₁do₁= 2R₂do₂ Mejora la estabilidad del bucle del filtro.

Las dos técnicas anteriores no son las únicas soluciones posibles para suprimir el ruido de una referencia de voltaje. Por ejemplo, puede reemplazar el filtro unipolar anterior con un filtro mucho más complicado. Consulte el capítulo 12 del libro Fuentes de corriente y referencias de voltaje para obtener información sobre el uso de otros tipos de filtros. Además, puedes encontrar técnicas interesantes en las notas de aplicación de los fabricantes. Por ejemplo, un tutorial Maxim Integrated explica cómo usar una pila de cuatro referencias de voltaje para reducir el ruido de referencia en un factor de 2.

Puntos clave sobre el ruido en las referencias de voltaje

• El ruido de una referencia de voltaje puede afectar directamente el rendimiento de ruido de un sistema. Suele caracterizarse en dos bandas de frecuencia diferentes: la 1/ ƒ región (de 0,1 Hz a 10 Hz) y la región de banda ancha (por ejemplo, de 10 Hz a 1 KHz).
• Podemos emplear un filtro de paso bajo en la salida de una referencia de voltaje para suprimir significativamente su ruido. La supresión del ruido de banda ancha es relativamente más fácil en comparación con la supresión de 1 / ƒ ruido.
• Por lo general, asumimos que el valor pico a pico del ruido generado por la referencia de voltaje es menos de la mitad del LSB del sistema.
• Algunas referencias de voltaje tienen terminales de reducción de ruido dedicados. Para las referencias de voltaje que no tienen terminales de reducción de ruido, podemos usar un amplificador operacional de precisión para implementar un filtro de paso bajo.
• Deberíamos estudiar detenidamente la hoja de datos de una referencia de voltaje antes de aplicar cualquier técnica de filtrado para suprimir el ruido de referencia.

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