基于高分辨率模数转换器架构实现运算放大器与ADC的接口设计

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基于高分辨率模数转换器架构实现运算放大器与ADC的接口设计

佚名 发表于 2020-08-12 14:11:27
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用来驱动高分辨率模数转换器(ADC)的信号源具有数百欧姆或更大的高频交流负载和直流负载。因此,具有数兆欧姆高输入阻抗以及低输出阻抗的高性能运算放大器是输入ADC驱动器的理想选择。ADC驱动器被用作缓冲器和低通滤波器以降低整体系统噪声。利用这三种不同驱动架构中的其中一种,来设计高性能运算放大器与ADC的接口,你就能够提升系统性能。用来驱动高分辨率模数转换器(ADC)的信号源具有数百欧姆或更大的高频交流负载和直流负载。因此,具有数兆欧姆高输入阻抗以及低输出阻抗的高性能运算放大器是输入ADC驱动器的理想选择。ADC驱动器被用作缓冲器和低通滤波器以降低整体系统噪声。

当信号沿着PCB走线和很长的电缆传输时,系统中的信号噪声在累积,差分ADC抑制所有以共模电压出现的信号噪声。采用差分信号而不是单端信号有两个优点:差分信号可使ADC动态范围扩大两倍,以及提供更好的谐波失真性能。

通过双运算放大器结构产生差分信号的方法有好几种,两种常见方法是单端-差分转换和差分-差分转换。前者要求单输入源,后者要求差分输入源。为利用ADC的整个动态范围,必须将输入驱动至满量程输入电压。

信号路径的基本考虑要素

有效设计信号路径模拟前端必须连接一些关键的元件(图)。典型的信号路径模拟前端包括驱动ADC的运算放大器、RC滤波器以及微控制器或者数字信号处理器(DSP)。

基于高分辨率模数转换器架构实现运算放大器与ADC的接口设计

典型的信号通道模拟前端包括驱动ADC、RC滤波器以及MCU或DSP的运算放大器。

实际的输入源阻抗可能并非理想,因此必须用输出阻抗非常低的缓冲放大器来驱动ADC输入。外部RL-CL滤波器用作抗混叠滤波器,它有助于降低ADC驱动器的噪声带宽,并对ADC采样保持电路产生的充电瞬变进行缓冲。为尽量降低输入电压的下降,外部并联电容值(CL)应该比ADC内部输入电容大10倍左右。此外,外部串联电阻(RL)应该足够大,以便在运算放大器输出端保持相位延迟,从而保持稳定性。

在运算放大器输出与ADC输入之间接串联隔离电阻对大多数应用都有好处。这个串联电阻有助于限制运算放大器的输出电流。串联电路的阻值选择很重要,较大的阻值则将增加从运算放大器端看过去的负载阻抗,并改善运算放大器的总谐波失真(THD)性能。不过,ADC最好由低阻抗源驱动,因此,必须找出此串联电阻的最佳阻值,以提供运算放大器和ADC组合电路的最佳指标,包括THD、信噪比(SNR)和无杂散动态范围(SFDR)。

当将ADC与运算放大器进行接口,必须了解对获得所期望性能结果而言非常重要的技术参数。现代ADC的交流参数,如THD、SNR、建立时间以及SFDR,在滤波、测试与测量、视频和重建应用中都很关键。高性能运算放大器的建立时间、THD和噪声性能必须好于被驱动的ADC的相应值,以使系统具有合适的精度,而误差却最小或者没有误差。

在本文设计中,可以采用LMH6611或 LMH6618单运算放大器来驱动单通道ADC121S101ADC,可以采用LMH6612 或LMH6619双运算放大器来驱动差分输入ADC121S625 或ADC121S705ADC。这些放大器专门为要求高速、低电源电流、低噪声以及具有驱动复杂ADC和视频负载能力的大范围应用而设计,使用起来非常方便。

关键的运算放大器和ADC参数

有些系统应用要求低THD、低SFDR和宽动态范围。有些系统则要求高SNR,这可能为了突出噪声性能而牺牲THD和SFDR。

对运算放大器和ADC而言,噪声是非常重要的技术参数。影响ADC总体性能的噪声源主要有三个,即量化噪声、ADC本身产生的噪声(特别是在较高频率下)以及应用电路产生的噪声。输入源的阻抗可影响运算放大器的噪声性能。理论上,ADC的SNR可用下式求得:

SNR=6.02N+1.72 单位:dB

其中,N是ADC的分辨率。根据上式,12位ADC的SNR是74dB。不过,实际SNR值可能为72dB左右。为获得更好的SNR性能,ADC驱动器噪声应该尽可能低。LMH6611/LMH6612/LMH6618/LMH6619电压噪声只有10nV/vHz。

ADC驱动器的THD本身就应比ADC的THD低。LMH6618/LMH6619在2V(峰峰值)输出和100kHz输入频率下的SFDR为100dBc。LMH6611/LMH6612在2V(峰峰值)输出和1MHz输入频率下的SFDR为90dBc。

信噪失真比(SINAD)是综合了SNR和THD的一个参数。SINAD定义为输出信号RMS值与低于时钟频率一半的所有其它频谱分量(包括谐波但不包括直流)RMS值的比,是衡量整体ADC动态性能的一个参数。可根据下式从SNR和THD得到SINAD:

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