將ADC介接到高效能運(yùn)算放大器的分析設(shè)計(jì)

1、將adc介接到高效能運(yùn)算放大器的分析設(shè)計(jì)前言：普通而言，用來(lái)驅(qū)動(dòng)現(xiàn)今高辨別率類(lèi)比/數(shù)碼轉(zhuǎn)換器的電源都是擁有數(shù)百歐姆或以上的ac或dc負(fù)載。因此，一個(gè)具備有高輸入阻抗(數(shù)百萬(wàn)歐姆)和低輸出阻抗的運(yùn)算便成為驅(qū)動(dòng)器輸入的最佳挑選。adc驅(qū)動(dòng)器可作為緩沖器和低通之應(yīng)用，以減低系統(tǒng)的整體雜訊。隨著訊號(hào)在板的布線和冗長(zhǎng)電纜上傳送，系統(tǒng)雜訊會(huì)積聚在訊號(hào)里，而一個(gè)差動(dòng)adc會(huì)否決任何看來(lái)像共模的訊號(hào)雜訊。相比起單端的訊號(hào)，采納差動(dòng)訊號(hào)有好幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。首先，差動(dòng)訊號(hào)可將adc的動(dòng)態(tài)范圍增大一倍。第二，它可提供更佳的諧波失真效能。現(xiàn)今有幾個(gè)辦法可從一個(gè)雙重配置產(chǎn)生出差動(dòng)訊號(hào)。其中一種辦法是采納單端/差動(dòng)轉(zhuǎn)換技術(shù)，而

2、另一種則需動(dòng)用差動(dòng)輸入源。為了利用盡全的adc的動(dòng)態(tài)范圍，adc的輸入必需被驅(qū)動(dòng)至滿(mǎn)刻度的輸入電壓。本文將會(huì)研究三種不同的adc驅(qū)動(dòng)器架構(gòu)：?jiǎn)蔚絾?、單端到差?dòng)和差動(dòng)到差動(dòng)。主要目的是希翼能扼要地提供一切用adc介接高效能運(yùn)算放大器的資料。訊號(hào)路徑的須要組件以下會(huì)把訊號(hào)路徑中的類(lèi)比前端設(shè)計(jì)之幾個(gè)組成部份一起研究。典型訊號(hào)路徑的類(lèi)比前端包括有一個(gè)用來(lái)驅(qū)動(dòng)adc的運(yùn)算放大器、一個(gè)rc濾波器、adc和微控制器或數(shù)碼訊號(hào)處理器()。圖1：典型訊號(hào)路徑的類(lèi)比前端方塊圖現(xiàn)實(shí)世界中的輸入源會(huì)帶有不抱負(fù)的阻抗，因此需依靠一個(gè)很低輸出阻抗的緩沖放大器來(lái)驅(qū)動(dòng)adc的輸入。然而，外置的rl-cl濾波器會(huì)作用為一個(gè)抗疊

3、頻濾波器，以協(xié)助減低adc驅(qū)動(dòng)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(shí)。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(nèi)置輸入電容大10倍，而同時(shí)外置的串行電容(rl)亦必需夠大以固定發(fā)生在運(yùn)算放大器輸出的相位延遲，從而維持電路的穩(wěn)定性。對(duì)于大部份的應(yīng)用而言，在運(yùn)算放大器輸出和adc輸入之間用一個(gè)串行隔離來(lái)銜接，都可以帶來(lái)好處，由于這個(gè)串行電阻可有助限制運(yùn)算放大器的輸出，而為這個(gè)串行電阻選定數(shù)值是一項(xiàng)十分重要的工作。一個(gè)比較高的電阻值將會(huì)增強(qiáng)運(yùn)算放大器的負(fù)載阻抗，從而充實(shí)運(yùn)算放大器的整體諧波失真(thd)效能?？墒牵琣dc通常都較喜愛(ài)以一個(gè)低阻抗的源來(lái)驅(qū)動(dòng)。因

4、此，必需為這個(gè)串行電阻找出最佳的數(shù)值，才干一同為運(yùn)算放大器和adc帶來(lái)最佳的thd、snr和sfdr效能。當(dāng)把a(bǔ)dc銜接到一個(gè)運(yùn)算放大器時(shí)，最重要是了解將會(huì)影響到效能的規(guī)格?，F(xiàn)今的adc規(guī)格，例如是thd、snr、設(shè)置時(shí)光和sfdr等，它們均對(duì)濾波、測(cè)量、視頻和重臨應(yīng)用很關(guān)鍵。高效能運(yùn)算放大器的設(shè)置時(shí)光、thd和雜訊效能必需比被驅(qū)動(dòng)的adc的效能更好，以確保系統(tǒng)的精確度以及將錯(cuò)誤減至最低或甚至消退。在本文中， lmh6611或lmh6618單一運(yùn)算放大器會(huì)被用來(lái)驅(qū)動(dòng)單通道的adc121s101 類(lèi)比/數(shù)碼轉(zhuǎn)換器，而另一方面，lmh6612或lmh6619雙重運(yùn)算放大器會(huì)被用來(lái)驅(qū)動(dòng)差動(dòng)輸入的ad

5、c121s625或adc121s705類(lèi)比/數(shù)碼轉(zhuǎn)換器。這些放大器的應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛，特殊適用于要求高速、低供電電流、低雜訊，以及需要驅(qū)動(dòng)復(fù)雜adc和視頻負(fù)載的應(yīng)用。運(yùn)算放大器和adc的重要規(guī)格在現(xiàn)實(shí)中，有些系統(tǒng)應(yīng)用會(huì)要求低thd、低sfdr和寬敞動(dòng)態(tài)范圍(snr)，而另一些則可能要求高snr，并且可能會(huì)犧牲thd和sfdr的效能來(lái)?yè)Q取更佳的雜訊效能。對(duì)于運(yùn)算放大器和adc而言，雜訊都是一項(xiàng)很重要的規(guī)格。這里有三個(gè)主要影響adc整體效能的雜訊來(lái)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(yīng)用電路所產(chǎn)生的雜訊。輸入源的阻抗可影響運(yùn)算放大器的雜訊效能。理論上，adc的訊號(hào)

6、與雜訊的比例(snr)可用下列算式計(jì)算出來(lái)：算式中的n是adc的辨別率。例如按照這條算式，一個(gè)12位的adc便擁有74db的snr。可是，實(shí)際的snr數(shù)值會(huì)大約是72db。為獲得更佳的snr，adc驅(qū)動(dòng)器雜訊應(yīng)當(dāng)愈小愈好。lmh6611/lmh6612/lmh6618/lmh6619的低電壓雜訊僅為10 nv/ 。運(yùn)算放大器和adc的整體設(shè)置時(shí)光必需在1 lsb之內(nèi)，而lmh6618/lmh6619和lmh6611/lmh6612的0.01%設(shè)置時(shí)光分離為120ns和100ns。此外，adc驅(qū)動(dòng)器的thd必需低于adc。lmh6618/lmh6619在2vpp輸出和100 khz輸入頻率時(shí)的s

7、fdr為100dbc，而lmh6611/lmh6612在2vpp輸出和1 mhz 輸入頻率時(shí)的sfdr則為90dbc。訊號(hào)/雜訊比和失真(sinad)是一個(gè)參數(shù)，它結(jié)合了snr和thd這兩個(gè)規(guī)格。sinad是指輸出訊號(hào)的rms值與全部其它低于時(shí)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(jì)算出來(lái)：因?yàn)閟inad是將輸入頻率與全部不良頻率成份作比較，所以它其實(shí)是adc動(dòng)態(tài)效能的一個(gè)整體性測(cè)量。以下的部份將會(huì)具體研究三種不同的adc驅(qū)動(dòng)器架構(gòu)。1. 單到單adc驅(qū)動(dòng)器這個(gè)架構(gòu)有一個(gè)單端式輸入源接駁到運(yùn)算放大器的輸入，然后此運(yùn)算放大器的單端式輸出會(huì)

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(qū)動(dòng)12位adc121s101 500ksps至1msps 類(lèi)比/數(shù)碼轉(zhuǎn)換器的首選，這個(gè)adc擁有一個(gè)具備內(nèi)置取樣和保持電路的逐次靠近架構(gòu)(successive approximation architecture)。圖2所示為一個(gè)驅(qū)動(dòng)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(yīng)。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(shí)的lmh6611和adc121s101組合之fet繪圖。adc驅(qū)動(dòng)器的500 khz截止頻率可從下列算式計(jì)算出來(lái)：運(yùn)算放大器的增益由下列算式設(shè)定：圖2：?jiǎn)蔚絾蝍dc驅(qū)動(dòng)器圖3：?jiǎn)蔚絾蝍dc驅(qū)動(dòng)器的fet繪圖表1：lmh6611/lmh6618與adc121s101組合后的效能2. 單端到差動(dòng)adc驅(qū)動(dòng)器圖4中的單端到差動(dòng)adc驅(qū)動(dòng)器采納了lmh6612雙重運(yùn)算放大器來(lái)緩沖一個(gè)單端源，以便驅(qū)動(dòng)一個(gè)具備有差動(dòng)輸入的adc。其中一個(gè)運(yùn)算放大器會(huì)被配置成一個(gè)單位增益緩沖器，并負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)運(yùn)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(hào)倒向并

10、驅(qū)動(dòng)adc121s625的反相輸入。u2的增益配置為+2，因此可在無(wú)需犧牲thd效能下減低雜訊。至于2.5v的共模電壓會(huì)同時(shí)設(shè)立在兩個(gè)運(yùn)算放大器u1和u2的非反相輸入。當(dāng)0至vref的單端輸入訊號(hào)被ac耦合到運(yùn)算放大器的非反相終端時(shí)，以及當(dāng)每一個(gè)運(yùn)算放大器的非反相終端在中標(biāo)量2.5v下被偏壓時(shí)，這種配置便可產(chǎn)生2.5vpp的差動(dòng)輸出訊號(hào)。此外，兩個(gè)輸出rc抗疊頻濾波器會(huì)同時(shí)用法在u1和u2的輸出與adc121s625的輸入之間，以減輕來(lái)自輸入源的不良高頻雜訊之影響。每一個(gè)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(shí)lmh6612和adc121s625組合的f

11、et繪圖。圖4：?jiǎn)味说讲顒?dòng)adc驅(qū)動(dòng)器圖5：?jiǎn)味说讲顒?dòng)adc驅(qū)動(dòng)器的fet繪圖表2：lmh6612/lmh6619與adc121s625兩個(gè)組合的效能資料3. 差動(dòng)到差動(dòng)adc驅(qū)動(dòng)器lmh6619雙重運(yùn)算放大器可以被配置成一個(gè)差動(dòng)到差動(dòng)的adc驅(qū)動(dòng)器，以便用來(lái)將一個(gè)差動(dòng)源緩沖到一個(gè)差動(dòng)輸入adc，正6所示。該差動(dòng)到差動(dòng)adc驅(qū)動(dòng)器可用兩個(gè)單到單adc驅(qū)動(dòng)器組成。這些驅(qū)動(dòng)器的每一個(gè)輸出會(huì)接駁到差動(dòng)adc的個(gè)別輸入。在這里每一個(gè)單到單adc驅(qū)動(dòng)器都采納相同的組件，并且配置成增益-1(反相)。圖6：差動(dòng)到差動(dòng)adc驅(qū)動(dòng)器下表分離總結(jié)出lmh6612和lmh6619與adc121s625和adc121

12、s705這四個(gè)組合的效能。表中同時(shí)包括有l(wèi)mh6612和lmh6619分離在2個(gè)不同的頻率下銜接到兩個(gè)adc的資料。為了用完adc的囫圇動(dòng)態(tài)范圍，25vpp的最高輸入會(huì)施加到adc的輸入。圖7表示出在f = 20 khz時(shí)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(dòng)到差動(dòng) adc驅(qū)動(dòng)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(duì)于上述每一個(gè)的adc驅(qū)動(dòng)器配置，當(dāng)建立電阻器網(wǎng)絡(luò)以確保差動(dòng)輸出擁有相同增益時(shí)，必需同時(shí)考慮訊號(hào)源的阻抗。例如，一個(gè)音頻精確訊號(hào)

13、產(chǎn)生器擁有22的源阻抗，而電路板則有一個(gè)50的終端，因此設(shè)計(jì)人員必需調(diào)整增益和輸入，以便能在運(yùn)算放大器的輸出處獵取所需的訊號(hào)。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(zhǎng)度·為冗長(zhǎng)布線采納終端式傳輸線圖8：差動(dòng)到差動(dòng)adc驅(qū)動(dòng)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(dòng)放大器少了超過(guò)20ma。采納lmh6611/lmh6612/lmh6618/lmh6619的主要優(yōu)點(diǎn)是低功率和低成本。當(dāng)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(yùn)行的應(yīng)用，而lmh6618和lmh6619則最適合