基于LT6018最佳驱动高分辨率SAR ADC设计

参考设计说明：DN1039

简介

LT6018是一款超低噪声（1kHz时为1.2nV /√Hz）运算放大器，具有超低失真（1kHz时为-115dB）。 它具有15MHz的增益带宽乘积，最大失调电压为50μV，最大失调电压漂移为0.5μV/°C。 这些功能组合使其适用于驱动各种高分辨率模数转换器（ADC）。 本设计手册介绍了使用LT6018驱动高速18位和20位逐次逼近寄存器（SAR）ADC时，实现最佳信噪比（SNR）和总谐波失真（THD）的电路和优化策略。

超线性20位ADC

图1显示了对DC2135A演示电路的修改，使用驱动LTC2378-20 20位SAR ADC的LT6018（替代LT1468）。 LTC2378-20具有无与伦比的2ppm线性性能。 在保持线性的同时创建差分信号的最好方法是使用该演示板上使用的LT5400中的精密匹配电阻。 设计说明1032（LT1468驱动LTC2377-20）中出现了图1所示电路的详细操作原理。

为了测量电路的线性度，将超纯正弦波输入到输入端，并在输出端计算FFT。 由此产生的THD测量可用作电路INL（积分非线性）性能的代表。 在800kHz的ADC采样率下，我们使用大约100Hz的输入频率（稍微调整以确保相干采样，减轻FFT数值限制）。

原来的演示电路包括一个直接在运算放大器之后的RC低通滤波器，以滤除过量的高频噪声。 即使在高频时，LT6018的噪声密度仍然相对较低，因此移除该滤波器可以忽略总噪声。 如果没有滤波器，由于单端至差分转换现在完全由LT5400中精确匹配的电阻控制，不受任何匹配不良的分立元件的干扰，因此线性度（由THD测量）显着提高。

LT6018的低噪声密度使其适用于需要增益的电路。 配置增益为10时，信号强度增加20dB，SNR相对于满量程降低2dB。 如果输入信号较小，则这种配置将有效的信噪比提高18dB。 正如预期的那样，线性度与放大器环路增益相同，大约减少20dB。

结果总结在表1中。

驱动高速18位ADC

LTC2387-18是一款18位SAR ADC，可采样至15Msps。 在这个采样速率下，ADC的内部采样电容连接到放大器输出小于30ns（“采集时间”）。 在此期间，放大器（和滤波器）电路必须从电荷反冲恢复并补充采样电容器的电荷，因此ADC可以在下一个转换周期中测量正确的输入电压。 仔细优化放大器和滤波器网络。

在图2中，两个LT6018被配置为单位增益跟随器，并连接到LTC2387-18演示板，该演示板在ADC输入端提供滤波电阻和电容。

表2显示了输入端的1.008kHz纯正弦波测量的SNR和THD结果，以及相干14.680Msps的ADC采样。 第一个表格显示了LT6200放大器的结果，这是一款非常高速，低噪声的运算放大器。 滤波器配置是大约200MHz的演示板默认带宽。 这允许完全建立ADC电荷反冲，这导致了-120dB的良好THD。 但是，SNR比ADC的96dB功能低2dB。

LT6018具有比LT6200更低的带宽，但更好的直流精度（失调和漂移）。 但是，将LT6018插入与LT6200相同的配置会显着降低SNR和THD。 SNR会降低，因为放大器的噪声密度可能高于其带宽，低于这个噪声，如果没有经过滤波，这个噪声将混叠到ADC中。 THD降级，因为较慢的放大器（当完全ADC充电反冲时）不能正确地解决，并留下ADC的非线性残留数字化。

图2. LT6018使用DC2290A-A演示板驱动LTC2387-18

我们可以通过增加电阻和电容的值，并在两个ADC输入之间加一个差分电容来滤除宽带放大器噪声。 这样可以将SNR提高到理论最大值96dB，这意味着集成的放大器噪声可以忽略不计。 此外，通过将滤波器配置偏向较小的串联电阻器和较大的电容器，电荷回扫的初始效应被衰减，导致改善的THD性能，远低于-100dB。

表2. LT6018驱动LTC2387-18 SNR和THD结果

结论

现代SAR ADC具有低噪声，高线性度和精确的直流偏置精度。 实现这些规格要求具有类似的良好DC规格，低噪声和足够带宽的放大器，例如LT6018。 对于中等速度的ADC（例如1Msps 20位LTC2378-20），LT6018与精确匹配的LT5400电阻相结合，可以创建差分输入信号，无需额外的滤波。 对于超快速SAR ADC（例如18位15MspsLTC2387-18），仔细优化运放与ADC之间的RC滤波器网络，可以获得出色的噪声和线性性能。