將ADC介接到高效能運算放大器的分析設計

1、將adc介接到高效能運算放大器的分析設計前言：普通而言，用來驅動現(xiàn)今高辨別率類比/數(shù)碼轉換器的電源都是擁有數(shù)百歐姆或以上的ac或dc負載。因此，一個具備有高輸入阻抗(數(shù)百萬歐姆)和低輸出阻抗的運算便成為驅動器輸入的最佳挑選。adc驅動器可作為緩沖器和低通之應用，以減低系統(tǒng)的整體雜訊。隨著訊號在板的布線和冗長電纜上傳送，系統(tǒng)雜訊會積聚在訊號里，而一個差動adc會否決任何看來像共模的訊號雜訊。相比起單端的訊號，采納差動訊號有好幾個優(yōu)點。首先，差動訊號可將adc的動態(tài)范圍增大一倍。第二，它可提供更佳的諧波失真效能?，F(xiàn)今有幾個辦法可從一個雙重配置產(chǎn)生出差動訊號。其中一種辦法是采納單端/差動轉換技術，而

2、另一種則需動用差動輸入源。為了利用盡全的adc的動態(tài)范圍，adc的輸入必需被驅動至滿刻度的輸入電壓。本文將會研究三種不同的adc驅動器架構：單到單、單端到差動和差動到差動。主要目的是希翼能扼要地提供一切用adc介接高效能運算放大器的資料。訊號路徑的須要組件以下會把訊號路徑中的類比前端設計之幾個組成部份一起研究。典型訊號路徑的類比前端包括有一個用來驅動adc的運算放大器、一個rc濾波器、adc和微控制器或數(shù)碼訊號處理器()。圖1：典型訊號路徑的類比前端方塊圖現(xiàn)實世界中的輸入源會帶有不抱負的阻抗，因此需依靠一個很低輸出阻抗的緩沖放大器來驅動adc的輸入。然而，外置的rl-cl濾波器會作用為一個抗疊

3、頻濾波器，以協(xié)助減低adc驅動器的雜訊頻寬，以及緩沖由adc取樣和保持電路所引致的充電瞬時。為了盡量減低輸入電壓的跌降，外置的并列(cl)必需比adc的內置輸入電容大10倍，而同時外置的串行電容(rl)亦必需夠大以固定發(fā)生在運算放大器輸出的相位延遲，從而維持電路的穩(wěn)定性。對于大部份的應用而言，在運算放大器輸出和adc輸入之間用一個串行隔離來銜接，都可以帶來好處，由于這個串行電阻可有助限制運算放大器的輸出，而為這個串行電阻選定數(shù)值是一項十分重要的工作。一個比較高的電阻值將會增強運算放大器的負載阻抗，從而充實運算放大器的整體諧波失真(thd)效能。可是，adc通常都較喜愛以一個低阻抗的源來驅動。因

4、此，必需為這個串行電阻找出最佳的數(shù)值，才干一同為運算放大器和adc帶來最佳的thd、snr和sfdr效能。當把adc銜接到一個運算放大器時，最重要是了解將會影響到效能的規(guī)格?，F(xiàn)今的adc規(guī)格，例如是thd、snr、設置時光和sfdr等，它們均對濾波、測量、視頻和重臨應用很關鍵。高效能運算放大器的設置時光、thd和雜訊效能必需比被驅動的adc的效能更好，以確保系統(tǒng)的精確度以及將錯誤減至最低或甚至消退。在本文中， lmh6611或lmh6618單一運算放大器會被用來驅動單通道的adc121s101 類比/數(shù)碼轉換器，而另一方面，lmh6612或lmh6619雙重運算放大器會被用來驅動差動輸入的ad

5、c121s625或adc121s705類比/數(shù)碼轉換器。這些放大器的應用范圍相當廣泛，特殊適用于要求高速、低供電電流、低雜訊，以及需要驅動復雜adc和視頻負載的應用。運算放大器和adc的重要規(guī)格在現(xiàn)實中，有些系統(tǒng)應用會要求低thd、低sfdr和寬敞動態(tài)范圍(snr)，而另一些則可能要求高snr，并且可能會犧牲thd和sfdr的效能來換取更佳的雜訊效能。對于運算放大器和adc而言，雜訊都是一項很重要的規(guī)格。這里有三個主要影響adc整體效能的雜訊來源：量化雜訊-是由adc本身所產(chǎn)生的雜訊(尤其在較高的頻率下)，以及由應用電路所產(chǎn)生的雜訊。輸入源的阻抗可影響運算放大器的雜訊效能。理論上，adc的訊號

6、與雜訊的比例(snr)可用下列算式計算出來：算式中的n是adc的辨別率。例如按照這條算式，一個12位的adc便擁有74db的snr?？墒牵瑢嶋H的snr數(shù)值會大約是72db。為獲得更佳的snr，adc驅動器雜訊應當愈小愈好。lmh6611/lmh6612/lmh6618/lmh6619的低電壓雜訊僅為10 nv/ 。運算放大器和adc的整體設置時光必需在1 lsb之內，而lmh6618/lmh6619和lmh6611/lmh6612的0.01%設置時光分離為120ns和100ns。此外，adc驅動器的thd必需低于adc。lmh6618/lmh6619在2vpp輸出和100 khz輸入頻率時的s

7、fdr為100dbc，而lmh6611/lmh6612在2vpp輸出和1 mhz 輸入頻率時的sfdr則為90dbc。訊號/雜訊比和失真(sinad)是一個參數(shù)，它結合了snr和thd這兩個規(guī)格。sinad是指輸出訊號的rms值與全部其它低于時鐘頻率一半的光譜成份之rms值之比例，這包括諧波但不包括dc，以及可憑下列算式從snr和thr中計算出來：因為sinad是將輸入頻率與全部不良頻率成份作比較，所以它其實是adc動態(tài)效能的一個整體性測量。以下的部份將會具體研究三種不同的adc驅動器架構。1. 單到單adc驅動器這個架構有一個單端式輸入源接駁到運算放大器的輸入，然后此運算放大器的單端式輸出會

8、再接駁到adc的單端式輸入。僅僅10 nv/ 的低雜訊和130 mhz的寬敞頻寬促使lmh6618成為驅動12位adc121s101 500ksps至1msps 類比/數(shù)碼轉換器的首選，這個adc擁有一個具備內置取樣和保持電路的逐次靠近架構(successive approximation architecture)。圖2所示為一個驅動adc121s101的lmh6618之原理圖，所用的是具備有增益-1(反相)的二階多重反饋配置。圖中的反相配置比起非反相的為佳，緣由是反相配置可提供更多的線性輸出回應。表1列出lmh6611或lmh6618與adc121s101組合后的效能資料。圖3表示出在f

9、= 200 khz時的lmh6611和adc121s101組合之fet繪圖。adc驅動器的500 khz截止頻率可從下列算式計算出來：運算放大器的增益由下列算式設定：圖2：單到單adc驅動器圖3：單到單adc驅動器的fet繪圖表1：lmh6611/lmh6618與adc121s101組合后的效能2. 單端到差動adc驅動器圖4中的單端到差動adc驅動器采納了lmh6612雙重運算放大器來緩沖一個單端源，以便驅動一個具備有差動輸入的adc。其中一個運算放大器會被配置成一個單位增益緩沖器，并負責驅動運算放大器u2的反相(in-)輸入和adc121s625的非反相(in+)輸入。u2把輸入訊號倒向并

10、驅動adc121s625的反相輸入。u2的增益配置為+2，因此可在無需犧牲thd效能下減低雜訊。至于2.5v的共模電壓會同時設立在兩個運算放大器u1和u2的非反相輸入。當0至vref的單端輸入訊號被ac耦合到運算放大器的非反相終端時，以及當每一個運算放大器的非反相終端在中標量2.5v下被偏壓時，這種配置便可產(chǎn)生2.5vpp的差動輸出訊號。此外，兩個輸出rc抗疊頻濾波器會同時用法在u1和u2的輸出與adc121s625的輸入之間，以減輕來自輸入源的不良高頻雜訊之影響。每一個rc濾波器均具備有約22 mhz.的截止頻率。圖5表示出在f = 20 khz時lmh6612和adc121s625組合的f

11、et繪圖。圖4：單端到差動adc驅動器圖5：單端到差動adc驅動器的fet繪圖表2：lmh6612/lmh6619與adc121s625兩個組合的效能資料3. 差動到差動adc驅動器lmh6619雙重運算放大器可以被配置成一個差動到差動的adc驅動器，以便用來將一個差動源緩沖到一個差動輸入adc，正6所示。該差動到差動adc驅動器可用兩個單到單adc驅動器組成。這些驅動器的每一個輸出會接駁到差動adc的個別輸入。在這里每一個單到單adc驅動器都采納相同的組件，并且配置成增益-1(反相)。圖6：差動到差動adc驅動器下表分離總結出lmh6612和lmh6619與adc121s625和adc121

12、s705這四個組合的效能。表中同時包括有l(wèi)mh6612和lmh6619分離在2個不同的頻率下銜接到兩個adc的資料。為了用完adc的囫圇動態(tài)范圍，25vpp的最高輸入會施加到adc的輸入。圖7表示出在f = 20 khz時lmh6612和adc121s625組合的fet繪圖。表3：lmh6612和lmh6619分離銜接到adc121s625和adc121s70后的效能圖7：差動到差動 adc驅動器的fet繪圖接地和電路板布局考慮將輸入源接地銜接到電源接地是十分重要的。對于上述每一個的adc驅動器配置，當建立電阻器網(wǎng)絡以確保差動輸出擁有相同增益時，必需同時考慮訊號源的阻抗。例如，一個音頻精確訊號

13、產(chǎn)生器擁有22的源阻抗，而電路板則有一個50的終端，因此設計人員必需調整增益和輸入，以便能在運算放大器的輸出處獵取所需的訊號。為了獲得最佳的高頻效能，以下是一些電路板布局的建議：·將adc和放大器放置得愈臨近愈好·將供電旁路盡量放近裝置(距離少于1英寸)·采納表面黏著而非穿孔式組件，以及采納接地和電源層·盡量削減布線的長度·為冗長布線采納終端式傳輸線圖8：差動到差動adc驅動器的電路板布局lmh6612/lmh6619只消耗僅6.5ma/2.5ma的電流，相比起市面上大部份的全差動放大器少了超過20ma。采納lmh6611/lmh6612/lmh6618/lmh6619的主要優(yōu)點是低功率和低成本。當中，lmh6611和lmh6612最適合用法在那些在奈奎斯特(nyquist)頻率20 khz至2 mhz下運行的應用，而lmh6618和lmh6619則最適合