医疗设备中 TI ADS129 系列 24 位 ADC

医疗设备中 TI ADS129 系列 24 位 ADC

高精度参考电压源的选择与设计

一、引言

TI ADS129 系列模数转换器（如 ADS1298、ADS1299）集成多通道低噪声前端和 24 位 Δ-Σ ADC，广泛应用于心电（ECG）、脑电（EEG）等医疗信号采集系统。

在这类系统中，参考电压源（VREF）是整个精度链路的“天花板” ：

• ADC 的数字输出本质上是输入信号相对于参考电压的比值；
• 参考电压的稳定度、温漂和噪声会直接限制 ADC 的绝对精度和有效位数（ENOB） 。

如果参考源设计不当，即使 ADC 标称 24 位，也可能只剩十几位具有实际意义。本文围绕 ADS129 系列的应用场景，系统性讨论：

1. 参考源类型选择：带隙、齐纳（埋入式）、浮栅等；
2. 温度漂移对系统精度的影响及指标理解；
3. 0.1–10 Hz 低频噪声对有效分辨率的限制；
4. 降低噪声耦合与温漂影响的电路与布局措施；
5. 几类适合 24 位 ADC 的参考芯片推荐与对比；
6. ADS129 系列对参考电压的具体要求与应用建议。

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二、参考电压源类型选择

常见的集成基准源大致可分为三类：带隙基准、齐纳基准（尤其是埋入式齐纳）和浮栅基准。不同原理在温漂、噪声和长期稳定性上各有特点。

2.1 带隙基准（Bandgap Reference）

• 原理：利用硅的带隙电压特性（约 1.2 V），通过对 BJT V_BE 的负温度系数进行补偿，实现温度系数近似为零的参考电压。

• 优点：

  • 可在低电源电压下工作（适合 <5 V 系统）；
  • 功耗较低，适合便携式设备；
  • 工艺成熟，选型丰富。

• 缺点：

  • 温漂和长期稳定性一般比埋入式齐纳略差；
  • 噪声相对较高，传统带隙多用于 12–16 位精度场合；

• 现代高端 CMOS 带隙基准经过温度补偿和工艺优化，温漂可以做到 1–3 ppm/°C 级，0.1–10 Hz 噪声可控制在 µV 级，已经可以满足 24 位 ADC 的系统要求。

2.2 齐纳基准（Zener Reference），尤其是埋入式齐纳

• 早期是表面齐纳，后来发展为埋入式齐纳（Subsurface Zener） ：

  • 在芯片内部形成约 6–7 V 的齐纳结，并用上层扩散层覆盖，隔离表面缺陷和应力。

• 优点：

  • 噪声低、长期稳定性好；
  • 初始精度和温漂优秀，可达到 0.001% 初始误差、< 2 ppm/°C 温漂；
  • 适合 16 位以上精密 ADC/DAC 的参考。

• 缺点：

  • 工作电压较高（一般输出 ≥5 V），功耗较大；
  • 在低压便携应用中需要额外降压或运放缓冲，系统复杂度和功耗增大。

• 典型应用：高精度台式仪器、万用表、计量级系统等。

2.3 浮栅基准（Floating-Gate Reference）

• 原理：利用 MOS 浮栅单元存储精确电荷，产生稳定电压。

• 特点：

  • 浮栅电荷对温度、电源、电路老化的敏感度极低，长期稳定性非常好；
  • 可在低电源电压和极低工作电流下运行；
  • 工厂出厂前通过“写入电荷 + 校准”实现极低初始误差和温漂。

• 指标：

  • 初始误差可做到 ±1 mV 级；
  • 温漂可控制在 20 ppm/°C 或更低；
  • 低噪声，适合高分辨率测量。

2.4 小结：24 位 ADS129 应优先选择什么？

对于 ADS129 这类 24 位 ADC：

• 如果功耗有限、供电较低、成本敏感：优先选用高性能 CMOS 带隙基准（如 ADR45xx、REF70、LTC6655），在温漂和噪声上已经能非常接近埋入式齐纳。
• 如果追求极致稳定，不在乎功耗和成本：可以采用埋入式齐纳 + 恒温控制的方案（如 LTZ1000），但一般用于实验室标准，不直接用在普通医疗设备里。
• 浮栅基准适合对长期稳定性要求极高且功耗受限的场合，可作为带隙/齐纳之外的高级选项。

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三、温度漂移对精度的影响

3.1 温漂指标如何理解？

温度漂移（TC，Temperature Coefficient） 通常以 ppm/°C 表示，即每升高 1 ℃，输出相对变化的百万分比。

示例：

• 温漂 = 10 ppm/°C；
• 环境温度变化范围 = ±10 ℃（共 20 ℃）；

那么最坏情况下参考电压的相对变化为：

10 ppm/°C × 20 ℃ = 200 ppm ≈ 0.02%

对一个 24 位 ADC 而言，1 LSB 大约是满量程的 0.000006% 级别（~0.06 ppm），0.02% 的漂移相当于几百个 LSB 的偏移，如果不校准，ADC 的“高位”全部被温漂吃光。

3.2 典型温漂水平

• 普通精密基准：3–10 ppm/°C
• 高性能参考：1–3 ppm/°C（典型），最大值 2–5 ppm/°C
• 极致级别（如恒温齐纳）：0.1 ppm/°C 甚至更低

需要注意的数据手册细节：

• 温漂指标一般采用“盒形法（Box Method）”，即在规定温度范围内的最大偏差 / 温差；
• 实际漂移曲线并非线性，在较窄温度范围内（例如 25±10 ℃）通常会优于数据手册“全温区”的标称值。

3.3 对医疗设备的设计建议

• 若系统不做温度校准，又希望整体精度在几十 ppm 级：

  • 参考源的温漂最好 ≤ 3 ppm/°C，甚至 1–2 ppm/°C；
  • 尽量控制参考芯片的实际工作温度范围（布局+散热）。

• 若允许定期校准（设备开机自校、维护校准）：

  • 可以适当放宽温漂指标，用数字校准补偿温度引起的偏移。

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四、低频噪声（0.1–10 Hz）对有效位数的限制

对于 ECG/EEG 这类低频信号，参考源的 0.1–10 Hz 噪声非常关键：

• 这一段频率范围对应的是 ADC 输出上缓慢漂移的随机噪声；
• 无法通过简单平均或数字低通完全消除；
• 直接表现为直流读数抖动和基线不稳定。

4.1 噪声指标的表达方式

常见有两种形式：

1. 噪声密度：nV/√Hz 用于宽带噪声评估，需要结合带宽积分。
2. 0.1–10 Hz 峰峰值噪声：µV_p-p 更适合评估直流和低频精度。

示例理解（以 2.5 V 参考为例）：

• 若 0.1–10 Hz 噪声为 1 µV_p-p：

  • 相对变化 ≈ 1 µV / 2.5 V ≈ 0.4 ppm；
  • 对 24 位满量程，相当于数个 LSB 的随机抖动。

为了让 ADC 有效分辨率不被“参考噪声”毁掉：

• 参考噪声应当尽可能 低于 1 LSB；
• 实际工程中，通常希望参考的低频噪声只占 ADC 噪声预算的一小部分。

4.2 对 ADS129 的实际意义

• ADS129 系列内部已有较低噪声的调制器和参考；

• TI 的资料中指出：使用低噪声外部参考（如 REF5025）时，ADS129 的噪声表现与内部参考基本相同 → 内部噪声已接近瓶颈；

• 这意味着：

  • 外部参考噪声要 ≥ 内部参考噪声才会“拖后腿”；
  • 用比内部还安静很多的参考，也难以进一步改善整体噪声。

结论：对 ADS129 而言，选型时要保证外部参考至少不比内部参考更吵，避免成为系统瓶颈；同时不必为“远低于晶体管物理极限”的极端低噪参考支付过高成本。

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五、降低噪声耦合与温漂影响的电路设计

即使选了非常好的基准芯片，如果外围设计和布局不好，实际效果同样会大打折扣。

5.1 电源与去耦

• 给基准芯片单独提供低噪声 LDO供电；
• LDO 输入侧最好远离开关电源的高 dv/dt 噪声区域；
• 在基准芯片电源引脚附近放置局部去耦（如 10 µF + 0.1 µF）；
• 可以在 LDO 和基准芯片之间加一个 RC 滤波网络，落下高频纹波。

5.2 参考输出滤波与负载

• 绝大多数基准芯片对输出电容的类型和大小有稳定性要求，必须按手册配置；

• 输出电容既是去耦，也是“噪声积分器”，适度增加有利于降低高频噪声；

• 若一个基准驱动多个 ADS129 芯片或其他负载：

  • 注意输出电流能力和线压降；
  • 必要时使用缓冲运放或采用 Force/Sense 引脚实现 Kelvin 连接。

对于 ADS129：

• 参考输入阻抗很高，一般无需额外缓冲；
• 需要在 VREFP 与 VREFN 之间靠近芯片放置足值电容（如 10 µF），抑制参考在内部调制瞬态下的波动。

5.3 PCB 布局与接地

• 参考网络应布置在纯模拟区域，靠近 ADS129：

  • 走线尽量短、粗，避免跨越数字区域；
  • 参考线周围可用地包围形成屏蔽；

• 参考地、ADC 模拟地应在一个干净的模拟地平面上，共同回到“模拟星点”；

• 模拟地与数字地建议在单点连接，避免数字电流在参考地线上流过。

5.4 热设计与机械应力

• 基准芯片尽量远离：

  • 大功率器件（如 DC/DC、功放）；
  • 高热梯度区域（板边散热口、风道）；

• 周围留足空间，避免封装长期受板弯曲、夹持力等机械应力影响，降低热迟滞和应力漂移。

5.5 多芯片系统中的参考分配

在多片 ADS129 级联的系统中：

• 通常用一枚高性能参考统一驱动所有芯片，以保证各通道量程和零点一致性；
• 采用星形连接方式分配参考电压，每个 VREFP 引脚就地放一颗去耦电容；
• 尽量保证各芯片的参考线长度和阻抗相近，避免跨通道偏差。

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六、适合 ADS129 的高性能参考芯片示例

下面列出几类适合 24 位 ADC/ADS129 应用的热门基准（仅抓技术要点）：

型号	类型	典型输出	温漂（典型/最大）	0.1–10 Hz 噪声（典型）	特点简述
ADR45xx	CMOS 带隙	2.048–5V	~1–2 ppm/°C，最大 ~4 ppm	≈ 1 µV_p-p（2.048V）	初始精度高、长期漂移小，适合高精度采集
REF70	CMOS 带隙	1.25–5V	典型 ≤ 1–2 ppm/°C	≈ 0.2–0.3 ppm_p-p	噪声极低，PSRR 很高，专为高精度 ADC/DAC
LTC6655	CMOS 带隙/LDO	1.25–5V	≤ 2 ppm/°C（宽温）	≈ 0.25 ppm_p-p	抖动极小，驱动能力强，可关断
REF50xx	CMOS 带隙	2.5–5V	3–5 ppm/°C	若干 µV_p-p 级	经典精密基准，ADS129 官方评估板常用
LTZ1000	埋入式齐纳+恒温	~7V	~0.05 ppm/°C（实测）	~1.2 µV_p-p @ 7V	计量级基准，功耗大，适合做“标准”而非前端

对于典型 ECG/EEG 系统中的 ADS129：

• 2.5 V 或 4.096 V 等输出版本最常用；
• REF70 / LTC6655 / ADR45xx 都是兼顾功耗、温漂和低噪声的好选择；
• REF50xx 系列虽指标略逊，但与 ADS129 的兼容性/资料支持很多，工程上非常常用。

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七、ADS129 系列对参考电压的具体要求

7.1 内部参考 vs 外部参考

• ADS129x 内部集成 2.4 V/4.0 V 参考：

  • 使用简单，无须外部器件；
  • 噪声和线性度足以满足大多数 ECG 应用；
  • 但温漂在几十 ppm/°C 量级，长期精度受限。

• 外部参考：

  • 可明显降低系统温漂和长期漂移；
  • 必须保证噪声、布局和隔离做得足够好，否则可能反而不如内部参考。

经验上：

• 中等精度 ECG/EEG → 内部参考足够；
• 高端医疗、需要精确幅度标定/长期一致性 → 使用高性能外部基准更合理。

7.2 参考电压范围与供电关系

• 参考电压 VREFP–VREFN 直接决定满量程范围；

• 最大参考电压受 AVDD 限制：

  • AVDD = 5 V 时，可用接近 4.0 V 的参考；
  • AVDD = 3.3 V 时，参考一般选 2.4–2.5 V。

• 设计建议：

  • 3.3 V 系统：选 2.5 V 基准（如 REF5025、ADR4525、REF7025 等）；
  • 5 V 系统：可用 4.096 V 基准，稍有裕量且便于和 2^12 等进制对齐。

7.3 多片 ADS129 使用同一参考

• 多片级联时，用同一基准驱动所有 VREFP：

  • 有利于多通道一致性；
  • 只需关注基准驱动能力足够（一般问题不大）。

7.4 启动与切换注意事项

• ADS129 内部参考启动需要一定时间（约百毫秒量级）；

• 使用外部参考时，上电后应确保：

  • 基准电压已达到稳态；
  • 参考去耦电容充满；
  • 再开启 ADC 转换，避免“半熟”基准导致错误读数；

• PCB 上可预留内/外参考切换位置（跳线、电阻拼接等），方便调试对比。

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八、总结与实践建议

要让 TI ADS129 系列这类 24 位 ADC 真正发挥应有的精度，参考电压源是必须认真打磨的一环。

总体设计思路：

1. 选型层面

   • 分辨率 ≥ 24 位 → 参考源温漂尽量 ≤ 3 ppm/°C，最好 1–2 ppm/°C；
   • 关注 0.1–10 Hz 噪声指标，优先选择峰峰值 µV 级甚至亚 µV 级产品；
   • 对于普通 ECG/EEG，ADS129 内部参考已足够；对高端医疗、长期稳定场景，推荐使用 ADR45xx、REF70、LTC6655 等高性能外部基准。

2. 电路与布局

   • 独立干净的 LDO 给基准供电；
   • 严格按照数据手册配置输出电容与负载；
   • 参考走线短而粗，远离数字噪声源，参考地落在干净的模拟地；
   • 多片 ADC 时采用星形分配、就地去耦、避免参考回路干扰。

3. 系统级策略

   • 有条件时加入上电自校、温度自校机制；
   • 对关键设备定期用标准源校准；
   • 在规格和测试中明确区分“瞬时噪声指标”和“长期稳定精度”。

只要参考设计得当，一个性能优秀的外部基准可以让 ADS129 系列在实际应用中逼近其理论分辨率极限，并在多年运行中保持良好的测量一致性与可追溯性，为医疗诊断提供可靠的基础数据。