用于正弦信号的高线性度、低噪声LTC2387-18驱动器

LTC®2387-18 是一款高速 SAR （逐次逼近寄存器） ADC，适合于高线性度、低噪声应用。该ADC能够以高达15Msps的速度进行采样，从而能够以几MHz的频率转换信号。它非常适合在此频率范围内转换脉冲和连续信号。本文将解决对设计用于向ADC提供连续正弦信号的驱动器的需求。噪声性能使得1MHz音调将产生超过96dBFS的SNR。该音的总谐波失真通常会超过-100dB。要将ADC驱动至满量程，需要8.192V pk-pk的差分输入信号。

许多传感器和信号源无法提供如此大的电压摆幅，或者无法驱动ADC相对较低的输入阻抗。缓冲电路最适合解决这些问题，但它们必须非常线性，并且对信号贡献很小的噪声。通常，缓冲电路必须向源提供阻抗，使其不会过度负载，并提供电压增益。运算放大器，无论是单端还是差分，如果整个电路要接近ADC满足的规格，就必须具有非常高的性能。

缓冲电路概述

如果差分输入信号可用，缓冲电路将执行三个功能。首先，使用少量输入低通滤波来限制到达放大器的噪声频谱。然后对信号进行缓冲，通常每侧一个运算放大器。在某些情况下，缓冲器包括一些电压增益。这降低了信号源的驱动要求，但会降低SNR，因为该增益会放大来自信号源的噪声。最后，信号在传递到ADC之前再次进行低通滤波。此功能由RC滤波器提供，该滤波器进一步限制到达ADC输入的宽带噪声。滤波器还在滤波电容之前提供一些串联电阻，这为放大器提供了较低的无功负载阻抗。电容用作来自ADC输入电路的采样瞬变的电荷储存器。这减小了放大器输出端采样电荷脉冲的大小。但是，如果电容太大，整个网络在采样时刻之间将无法完全稳定。在某些情况下，差分输入信号不可用。然后，缓冲电路必须执行从单端信号派生差分信号的附加功能。

基本缓冲电路

用于驱动 LTC2387-18 的基本缓冲电路如下图 1 所示。

图 1 – 简化的缓冲器 + ADC 电路

放大器工作在+7.5V/-2.5V电源轨。输入电路提供接近31MHz的低通极点，假设源阻抗为25Ω。源阻抗值越大，该极点频率越低。在单位增益配置中，串联电阻还满足ADA4899-1输入端所需的25Ω。每个放大器输出端是一个25Ω串联电阻。由这些电阻组成的低通部分与82pF电容一起产生一个接近77MHz的极点。这些电容尽可能大，而不会降低网络的建立时间。该电路非常简单，对客户信号源具有高负载阻抗。但是，它不提供电压增益。它还仅支持直流耦合信号;输入信号的直流电平必须接近2.048V。该电路在300KHz至2.2MHz范围内的性能数据如下图2所示。

图 2 – THD 和 SNR，缓冲器 + ADC

单端输入信号缓冲电路

如果没有差分输入信号，可以修改缓冲电路以接受单端信号。图3所示的原理图就是一个例子。

图3 –单端缓冲器+ADC电路

该电路使用施加在Vcm处的精密基准电压源来建立两个输出的共模电压。这允许使用交流耦合输入，但会产生噪声进入的途径。在单位增益配置中，如图3所示，基准电压端口的任何噪声或杂散信号在输出端显示为微分干扰，以一对一增益为基础。为此端口选择的基准电压源必须尽可能安静，并在施加到运算放大器的同相端子之前进行严格滤波。反相放大器周围的串联和反馈电阻也会给输出带来宽带噪声。最小化这些电阻的幅度对于减少这种贡献至关重要。即使经过精心设计，基准电压源和电阻的影响也相当大，这种配置的SNR比真正的差分缓冲电路的SNR低几dB。单端缓冲电路的性能数据如图4所示。

图 4 – THD 和 SNR，单端缓冲器 + ADC

带吸收式滤波电路的缓冲器

简单缓冲电路输出端使用的滤波器仅由串联电阻器和并联电容器组成。这种滤波器的选择性很差，在转折频率附近呈现给放大器的阻抗很低。滤波器部分的输入阻抗非常高，并且随着通带内的频率而迅速变化。这种类型的滤波器通过反射而不是吸收来抑制带外信号。具有更多极点和吸收元件的滤波器可以提供性能更好的负载阻抗以及更多的带外抑制。此类滤波器的示例如图 5 所示。

图5 –吸收式输出滤波器

该滤波器在大部分通带内提供300Ω的负载阻抗，在1MHz时降至150Ω。3dB转折接近9MHz，提供比简单RC滤波器窄得多的通带。吸收式驱动器板使用图5所示滤波器的差分版本，以提供更好的SNR。简化的原理图如图6所示。

图 6 – 吸收缓冲器 + ADC 电路，单位增益

该电路可轻松配置为提供电压增益;图7所示为电压增益为4的示例。

图 7 – 吸收缓冲器 + ADC 电路，电压增益为 4

两种电路的性能数据如下图8所示。

图 8 – THD 和 SNR，吸收缓冲器 + ADC

反馈放大器+吸收式滤波器

目前介绍的电路非常简单，使用运算放大器，然后是低通滤波器。还评估了一种更复杂的方法，该方法采用本地和全局反馈来提高放大器的线性度。主放大器是 LTC6404，它是一款低噪声、低失真差分放大器。该放大器之后是两个AD8002电流反馈型运算放大器。这些运算放大器有两个用途。首先，它们提供 4 的电压增益，从而将 LTC6404 的 2V 峰峰值输出电压摆幅转换为驱动 ADC 至满标度所需的 8V 峰峰值摆幅。此外，这些运算放大器是电流反馈器件，这意味着它们提供更高的压摆率和更低的输出阻抗。这两个属性都非常适合通过前面描述的吸收式低通滤波器驱动ADC输入。该电路部分源自 Derek Redmayne 的凌力尔特博客“如何驱动 LTC2387 （第 1 部分）：需要低互调失真的 5MHz 信号应用”中描述的 ADC 驱动器电路。简化的原理图如图9所示。

图 9 – 反馈放大器 + 吸收缓冲器 + ADC 电路

该电路的性能数据如下图10所示。

图 10 – THD 和 SNR，反馈放大器 + 吸收缓冲器 + ADC

本文介绍的电路和数据表明，在某些情况下，可以以改进的SNR换取电路复杂性或失真等。请注意，本文提供的数据是使用单个DC2290A演示板获取的，该演示板由缓冲电路的单独演示板驱动。

审核编辑：郭婷