在混合信號(hào)系統(tǒng)中，ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)與 DAC(數(shù)模轉(zhuǎn)換器)是連接模擬世界與數(shù)字域的核心橋梁，而電壓參考作為兩者的 “基準(zhǔn)標(biāo)尺”，其性能直接決定了轉(zhuǎn)換精度、動(dòng)態(tài)范圍與穩(wěn)定性。隨著工業(yè)控制、醫(yī)療電子、通信設(shè)備等領(lǐng)域?qū)π盘?hào)轉(zhuǎn)換質(zhì)量的要求不斷提升，電壓參考已從傳統(tǒng)的 “輔助元件” 升級(jí)為影響系統(tǒng)整體性能的關(guān)鍵因素。本文將從電壓參考的核心作用出發(fā)，深入分析其參數(shù)特性、噪聲干擾、布局設(shè)計(jì)對 ADC/DAC 混合信號(hào)部分的多維度影響，并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場景提出優(yōu)化思路。

一、電壓參考在 ADC/DAC 系統(tǒng)中的核心作用

電壓參考的本質(zhì)是提供一個(gè)穩(wěn)定、精確的基準(zhǔn)電壓(Vref)，為 ADC 的模擬信號(hào)量化與 DAC 的數(shù)字信號(hào)重構(gòu)提供參考依據(jù)。對于 ADC 而言，輸入模擬信號(hào)的量化精度由基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)定性直接決定 ——ADC 的最小量化單位(LSB)計(jì)算公式為 \( LSB = \frac{Vref}{2^n} \)(n 為 ADC 位數(shù))，若 Vref 存在波動(dòng)，將直接導(dǎo)致 LSB 漂移，引發(fā)量化誤差;對于 DAC，基準(zhǔn)電壓是數(shù)字量映射為模擬量的 “刻度基準(zhǔn)”，Vref 的偏差會(huì)直接傳遞至輸出模擬信號(hào)，造成增益誤差與非線性失真。

此外，電壓參考還承擔(dān)著 “噪聲隔離” 與 “電源同步” 的隱性作用。在混合信號(hào)系統(tǒng)中，數(shù)字電路的開關(guān)噪聲、模擬電路的電源紋波易通過供電網(wǎng)絡(luò)耦合至基準(zhǔn)電路，而高性能電壓參考需具備低噪聲、高電源抑制比(PSRR)，以阻斷噪聲傳遞，保障 ADC/DAC 的信號(hào)完整性。

二、關(guān)鍵參數(shù)對 ADC/DAC 性能的直接影響

(一)初始精度與溫漂

初始精度是電壓參考在室溫下的輸出偏差，通常以百分比或毫伏級(jí)表示，直接導(dǎo)致 ADC/DAC 的零點(diǎn)誤差與增益誤差。例如，一款 12 位 ADC 搭配初始精度為 ±0.1% 的電壓參考，僅基準(zhǔn)偏差就會(huì)引入約 4LSB 的量化誤差，嚴(yán)重影響高分辨率 ADC 的性能發(fā)揮。

溫度漂移(溫漂)是電壓參考在寬溫范圍內(nèi)的輸出穩(wěn)定性指標(biāo)，單位通常為 ppm/℃(每攝氏度百萬分之一)。在工業(yè)控制、汽車電子等寬溫應(yīng)用場景中，溫漂的影響尤為顯著。例如，一款溫漂為 50ppm/℃的電壓參考，在 - 40℃至 85℃的工作溫度范圍內(nèi)，總漂移可達(dá) 6.25mV(以 2.5V 基準(zhǔn)為例)，對于 12 位 ADC 而言，相當(dāng)于 25LSB 的誤差，完全抵消了 ADC 的分辨率優(yōu)勢。相比之下，低溫漂(如 10ppm/℃以下)的基準(zhǔn)源能顯著降低溫度對轉(zhuǎn)換精度的影響，是高精度混合信號(hào)系統(tǒng)的必備選擇。

(二)噪聲特性

電壓參考的噪聲包括熱噪聲、散粒噪聲與 1/f 噪聲，這些噪聲會(huì)直接疊加在 ADC 的輸入信號(hào)或 DAC 的輸出信號(hào)中，降低信號(hào)的信噪比(SNR)。對于高頻 ADC/DAC 系統(tǒng)，基準(zhǔn)噪聲的影響更為突出 —— 例如，在采樣率為 1MSps 的 12 位 ADC 中，若基準(zhǔn)源的輸出噪聲有效值為 100μV，將導(dǎo)致 SNR 下降約 16dB，嚴(yán)重影響信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍。

為抑制基準(zhǔn)噪聲，通常需在電壓參考輸出端配置低噪聲去耦電容，并采用屏蔽措施減少電磁干擾(EMI)。部分高性能基準(zhǔn)源還內(nèi)置噪聲抑制電路，通過內(nèi)部濾波網(wǎng)絡(luò)降低寬頻帶噪聲，進(jìn)一步提升混合信號(hào)系統(tǒng)的抗干擾能力。

(三)電源抑制比(PSRR)

PSRR 是衡量電壓參考抵御電源紋波干擾能力的指標(biāo)，單位為 dB，數(shù)值越高表示抗干擾能力越強(qiáng)。在混合信號(hào)系統(tǒng)中，數(shù)字電路的開關(guān)動(dòng)作會(huì)導(dǎo)致電源總線產(chǎn)生紋波，若電壓參考的 PSRR 較低，這些紋波會(huì)通過基準(zhǔn)電路耦合至 ADC/DAC，引發(fā)轉(zhuǎn)換誤差。例如，當(dāng)電源紋波為 100mV 時(shí)，一款 PSRR 為 60dB 的電壓參考會(huì)將 25μV 的紋波傳遞至輸出端，對于 12 位 ADC 而言，相當(dāng)于 0.1LSB 的誤差;而 PSRR 為 40dB 的基準(zhǔn)源則會(huì)傳遞 2.5mV 的紋波，對應(yīng) 10LSB 的誤差，差異十分顯著。

三、布局與布線對基準(zhǔn)性能的間接影響

即使選擇了高性能電壓參考，不合理的布局與布線也會(huì)導(dǎo)致其性能退化，進(jìn)而影響 ADC/DAC 的轉(zhuǎn)換質(zhì)量?；旌闲盘?hào)系統(tǒng)中，基準(zhǔn)電路的布局需遵循 “隔離原則”—— 將電壓參考與數(shù)字電路、功率器件分開布局，避免數(shù)字開關(guān)噪聲通過 PCB(印刷電路板)銅箔耦合。同時(shí)，基準(zhǔn)源的電源端應(yīng)就近配置去耦電容(通常為 0.1μF 陶瓷電容與 10μF 電解電容并聯(lián))，減少電源路徑上的阻抗，抑制紋波干擾。

布線方面，基準(zhǔn)電壓的傳輸線應(yīng)盡量短且粗，采用差分走線或屏蔽走線方式，避免與數(shù)字信號(hào)線平行布線。此外，ADC/DAC 的基準(zhǔn)引腳應(yīng)設(shè)置獨(dú)立的接地過孔，通過星形接地或單點(diǎn)接地方式減少地環(huán)路干擾，確?；鶞?zhǔn)電壓的穩(wěn)定性。

四、實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)化策略

(一)根據(jù)系統(tǒng)需求選型

在低精度、低成本的混合信號(hào)系統(tǒng)中，可選擇經(jīng)濟(jì)型齊納二極管或帶隙基準(zhǔn)源(如 LM4040)，滿足基本的精度要求;而在高精度、寬溫、高動(dòng)態(tài)范圍的應(yīng)用場景(如醫(yī)療影像、精密測量)中，需選用低溫漂、低噪聲、高 PSRR 的基準(zhǔn)源(如 ADR4525、REF5040)，并搭配外部濾波電路進(jìn)一步優(yōu)化性能。

(二)采用基準(zhǔn)緩沖與校準(zhǔn)機(jī)制

對于驅(qū)動(dòng)能力不足的電壓參考，可通過運(yùn)算放大器構(gòu)成緩沖電路，增強(qiáng)基準(zhǔn)電壓的帶負(fù)載能力，同時(shí)避免 ADC/DAC 的輸入電流影響基準(zhǔn)源輸出穩(wěn)定性。此外，在高精度系統(tǒng)中，可引入校準(zhǔn)機(jī)制 —— 通過 MCU(微控制器)定期校準(zhǔn) ADC/DAC 的基準(zhǔn)偏差，或采用軟件算法補(bǔ)償溫漂與初始誤差，進(jìn)一步提升轉(zhuǎn)換精度。

(三)強(qiáng)化電磁兼容(EMC)設(shè)計(jì)

除了布局布線優(yōu)化，還需對電壓參考電路采取屏蔽措施，避免外部 EMI 干擾。同時(shí)，在系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)中采用線性穩(wěn)壓器(LDO)為基準(zhǔn)源單獨(dú)供電，減少電源紋波與噪聲，從源頭提升基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)定性。

結(jié)論

電壓參考作為 ADC/DAC 混合信號(hào)部分的 “精度基石”，其初始精度、溫漂、噪聲特性與 PSRR 等參數(shù)直接決定了轉(zhuǎn)換精度、動(dòng)態(tài)范圍與穩(wěn)定性，而布局布線設(shè)計(jì)則間接影響基準(zhǔn)性能的發(fā)揮。在混合信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場景選擇合適的電壓參考，并通過優(yōu)化選型、布局布線、噪聲抑制與校準(zhǔn)機(jī)制，最大限度降低基準(zhǔn)源對 ADC/DAC 的負(fù)面影響。隨著混合信號(hào)技術(shù)向高分辨率、高速度、寬溫域方向發(fā)展，電壓參考的性能優(yōu)化將成為提升系統(tǒng)整體競爭力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，未來需進(jìn)一步研發(fā)更低噪聲、更低溫漂、更高集成度的基準(zhǔn)源產(chǎn)品，以滿足日益嚴(yán)苛的應(yīng)用需求。