从直流到宽带的高速模拟信号链设计

目前，在转换器领域风头正盛的是GSPS ADC—也称RF ADC。凭借市场上采样速率如此高的转换器，奈奎斯特频率与五年前相比提高了10倍。关于使用RF ADC的优势，以及如何使用它们进行设计并以如此高的速率捕获数据，人们进行了大量的讨论。感谢JESD204x联盟。但是人们似乎忘了一件事情，即低直流信号。

高性能模数转换器(ADC)之前的输入配置或者前端设计，对于实现所需的系统性能非常关键。通常重点在于捕获宽带频率，例如大于1 GHz的宽带频率。然而，在某些应用中，也需要直流或近直流信号，并且受到最终用户的欢迎，因为它们也可以传输重要信息。因此，通过优化整体前端设计来捕获直流和宽带信号需要直流耦合前端，该直流耦合前端一直连接到高速转换器。

考虑到应用的本质，将需要开发一个有源前端设计，因为用于将信号耦合到转换器的无源前端和巴伦本身就已交流耦合。本文以实际系统解决方案为例，概述了共模信号的重要性，以及如何正确对放大器前端进行电平转换。
 

共模：概述

由于对共模参数及其与设备之间的关联缺乏了解，客户仍然会提出许多技术支持问题。ADC数据表指定了模拟输入的共模电压要求。关于这方面没有太多详细信息，但为了以满量程实现额定ADC性能，必须保持适当的前端偏置。

集成缓冲器的ADC通常具有内部偏置共模(CM)电平，此电平是电源的一半加上二极管压降(AVDD/2 + 0.7 V)。不需要外部电路对此电路进行偏置，但必须保持共模电平才能正确使用转换器。对于无缓冲的(开关电容输入)转换器，共模偏置通常是模拟电源的一半，即AVDD/2。可通过多种方式由外部提供。部分转换器具有一个专用引脚，允许设计人员通过几个与模拟输入相连的电阻来提供偏置。或者，设计人员可以将内部偏置连接到变压器的中心抽头，或者可以使用电阻分压器分离模拟电源(电阻从模拟输入的每个端脚连接到AVDD和接地)。在使用转换器的VREF引脚之前，请查阅制造商的数据手册或咨询应用支持小组，因为许多基准信息并未提供，不能在没有外部缓冲器的情况下提供共模偏置。这很诱人，因为您需要的CM电压很容易获得，但提醒一句—不要这样做。

如果未提供或保持共模偏置，转换器将产生增益和失调误差，使总体测量性能下降。转换器可能过早削波，或者根本不会削波，因为转换器达不到满量程。在转换器之前连接放大器时，共模偏置尤其重要，特别是当应用需要直流耦合时。查看放大器的数据手册技术规格，确保放大器可以满足转换器的摆幅和共模电源要求。转换器日益趋向采用更小的工艺尺寸，因此需要更低的电源。使用1.8 V电源时，如果需要直流耦合，则放大器需要0.9 V的共模电压。使用3.3 V至5 V电源电压的放大器可能无法保持那么低的电平，但是较新的低电压放大器可以，或者设计人员可以使用分离电源并在VSS引脚上使用负供电轨。然而，这样做时，记住其他引脚可能也需要连接到负供电轨。相关信息请参考数据手册和/或咨询直接应用支持人员。

1 从直流到宽带的高速模拟信号链设计

共模：定义

我们首先来看共模电压的定义。图1显示了转换器如何查看差模与共模信号。CM电压只是信号移动的中点—参见图1。您也可以将其视为新中点或零代码—放大器，通常通过一个VOCM引脚或类似的器件，在输出端建立CM。不过要小心，这些引脚也有一定的电流和电压范围要求。最好查阅一下放大器数据手册，或者使用不会使电路内部的任何相邻电路或基准点负荷过重的稳定偏置点。不要只是分接一个转换器的基准电压引脚(VREF)，它通常是转换器满量程的一半。可能无法提供充分的高精度偏置。谨慎起见，也应查阅转换器数据手册上的引脚技术规格。一般而言，电阻容差1%的简单分压器和/或缓冲器驱动器之类，可正确设置放大器的CM偏置。

在下面表1中简要列出了如何连接每个应用的放大器和转换器，图2显示了一些正确的电路示例。

图1. 差模与共模信号示例

图2. 用于放大器/转换器前端的交流耦合与直流耦合应用示例

表1. 共模矩阵

共模：已断开

如果未提供或保持共模偏置，转换器将产生增益和失调误差，使获取的总体测量性能下降。简单地说—转换器输出将如图3所示，或者略有变化。输出频谱的形态将与过载满量程输入相似。这意味着转换器的零点偏离中心，不是最优。设计人员可能会发现转换器会较早削波或者达不到转换器的满量程。最近，由于转换器开始使用1.8 V电源和更低的电源，这一问题变得更为严重。这意味着模