SAR模数转换器的前端器件设计探究

如果选择较大的电容，则当容性DAC切换回输入端时，对反冲的衰减幅度会更大。然而，电容越大，驱动放大器就越有可能变得不稳定，特别是给定带宽下 REXT 值较小时。如果 REXT 值太小，放大器相位裕量会降低，可能导致放大器输出发生响铃振荡或变得不稳定。对于串联 REXT较小的负载，应采用低输出阻抗的放大器来驱动。可以利用RC组合和放大器的波特图执行稳定性分析，以便验证相位裕量是否充足。最好选择1 nF至3 nF的电容值和合理的电阻值，以使驱动放大器保持稳定。此外务必使用低电压系数的电容，如NP0型，以保持低失真。

REXT 的值必须能使失真水平保持在要求的范围以内。图6显示了驱动电路电阻对失真的影响与 AD7690输入频率的函数关系。失真随着输入频率和源电阻的提高而提高。导致这种失真的原因主要是容性DAC提供的阻抗的非线性特性。

图6. 源电阻对THD的影响与输入频率的关系

低输入频率(<10 kHz)可以支持较大的串联电阻值。失真还与输入信号幅度有关;对于同一失真水平，较低的幅度可以支持较高的电阻值。计算上例中的 REXT :τ = 51.16 ns,假设 CEXT 为2.7 nF,得到电阻值为18.9 Ω。这些值接近ADI数据手册应用部分给出的常见值。

此处计算的标称RC值是有用的指南，但不是最终解决方案。选择 REXT 与 CEXT 之间的适当平衡点，需要了解输入频率范围、放大器可以驱动多大的电容以及可接受的失真水平。为了优化RC值，必须利用实际的硬件进行试验，从而实现最佳性能。

2 选择合适的放大器

在上一部分中，我们根据输入信号和ADC吞吐速率，计算了适合ADC输入的RC带宽。接下来必须利用此信息选择合适的ADC驱动放大器。需要考虑如下方面：

·放大器大小信号带宽

·建立时间

·放大器噪声特性以及对系统噪声的影响

·失真

·失真对于电源轨的裕量要求

该数据手册通常会给出放大器的 小信号带宽 .但是，根据输入信号的类型，大信号带宽 可能更重要，尤其是高输入频率(>100 kHz)或多路复用应用(因为电压摆幅较大)，而且输入信号的正向建立更加关键。例如，ADA4841-1 的小信号带宽为80 MHz(20 mV p-p信号)，但大信号带宽仅3 MHz(2 V p-p信号)。上例采用AD7980,计算的RC带宽为3.11 MHz.对于较低的输入频率，ADA4841-1是很好的选择，因为其80 MHz小信号带宽对于反向建立而言绰绰有余，但在多路复用应用中则有困难，因为对于大信号摆幅，此时的RC带宽要求提高到3.93 MHz.这种情况下，更合适的放大器是ADA4897-1,它具有30 MHz的大信号带宽。一般而言，放大器的小/大信号带宽至少应比RC带宽大两三倍，具体取决于是以反向建立还是正向建立为主。如果要求放大器级提供电压增益(这会降低可用带宽)，更适用这条原则，甚至可能需要带宽更宽的放大器。

看待正向建立要求的另一种方式是查看放大器的建立时间特性，它通常是指建立到额定阶跃大小某一百分比所需的时间。对于16位到18位性能，通常要求建立到0.001%,但大多数放大器仅指定不同阶跃大小的0.1%或0.01%建立时间。因此，为了确定建立特性是否支持ADC吞吐速率，需要对这些数值进行折中。ADA4841-1针对8 V阶跃给出的0.01%建立时间为1 μs.在驱动1 MSPS(1 μs周期)AD7980的多路复用应用中，它将无法使满量程阶跃的输入及时建立，但如果降低吞吐速率，例如500 kSPS可能是可行的。

RC带宽对于确定放大器的最大容许噪声量十分重要。放大器噪声一般通过低频1/f噪声(0.1 Hz至10 Hz)和高频时的宽带噪声谱密度(图7所示噪声曲线的平坦部分)来规定。

图7. ADA4084-2电压噪声与频率的关系

折合到ADC输入端的总噪声可以按照如下方法计算。首先，计算放大器宽带频谱密度在RC带宽上的噪声。

其中， en = 噪声频谱密度(V/Hz)， N = 放大器电路噪声增益， BWRC = R带宽(Hz)

然后，通常通过下式计算低频1/f噪声;它通常指定为峰峰值，需要转换为均方根值。

其中，

= 1/f峰峰值噪声电压，N = 放大器电路噪声增益。

总噪声为以上两个噪声的和方根：

为将驱动器噪声对总SNR的影响降至最低，此总噪声应为ADC噪声的1/10左右。根据目标系统的SNR要求，可能还允许更高的噪声。例如，如果ADC的SNR为91 dB, VREF= 5 V,则总噪声应小于或等于

由此值很容易算出1/f噪声和宽带噪声谱密度的最大允许值。假设拟用的放大器具有可忽略不计的1/f噪声，以单位增益工作，并采用RC带宽为上例计算值(3.11 MHz)的滤波器，那么

因此，该放大器的宽带噪声谱密度必须小于或等于2.26 nV/√Hz.ADA4841-1的宽带噪声谱密度为2.1 nV/√Hz,符合这一要求。

放大器需要考虑的另一个重要特性是特定输入频率时的失真。通常，为获得最佳性能，16位ADC需要大约100 dB的总谐波失真(THD)，18位ADC需要大约110 dB.图8显示对于2 V p-p输入信号，ADA4841-1的典型失真与频率的关系图。

图8. ADA4841-1的失真与频率的关系

图中显