精密SAR模数转换器的前端放大器和RC滤波器设计

知，要使满量程阶跃建立至16位，需要11个时间常数（如表1）。对于计算的RC，滤波器的正向建立时间为11×40.49ns=445ns，远少于转换时间710ns。正向建立不需要全部发生在转换期间（容性DAC切换到输入端之前），但正向和反向建立时间之和不应超过所需的吞吐速率。对于低频输入，信号的变化率低得多，因此正向建立并不十分重要。


计算出滤波器近似带宽后，就可以分别选择REXT和CEXT的值。上述计算假设CEXT=2.7nF，这是数据手册所示应用电路的典型值。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1nF至3nF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(<10kHz)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=51.16ns，假设CEXT为2.7nF，得到电阻值为18.9Ω。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。

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（>100kHz）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80MHz（20mVp-p信号），但大信号带宽仅3MHz（2Vp-p信号）。上例采用AD7980，计算的RC带宽为3.11MHz.对于较低的输入频率，ADA4841-1是很好的选择，因为其80MHz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3.93MHz.这种情况下，更合适的放大器是ADA4897-1，它具有30MHz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8V阶跃给出的0.01%建立时间为1μs.在驱动1MSPS（1μs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500kSPS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（0.1Hz至10Hz）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。


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100dB的总谐波失真(THD)，18位ADC需要大约110dB。图8显示对于2Vp-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

图中显示的不是总谐波失真，而