ADC前端配置技术

2、关于宽带ADC前端设计技术--驱动ADC的放大器配置技术

高性能模数转换器(ADC)"前端"的输入配置设计对达到要求的系统性能至关重要。优化总体设计取决于很多因素，包括应用性质、系统组成和ADC的结构。以下仅就使用放大器影响ADC前端设计的一些重要的考虑作分析。

2.1首先要说明驱动模数转换器的放大器配置技术的基本理念

数据采集系统通常需要在ADC前端前置放大器以缓冲输入信号。由于采样及转换期间的容性充电及切换，使得绝大多数的现代ADC都具有复杂的输入特征。该操作在ADC的输入端所产生的瞬态电流将扰乱并扭曲精密的模拟输入信号。而输入放大器配置或伺服则可以在存在此类电流瞬变时提供一个稳定、精确的信号。同时还可提供增益(或衰减)、电平切换、滤波以及其他信号调节能力。选择输入运算放大器需要进行多方面考虑。通过直流精确性选取可大大缩小放大器选择的范围。所选的放大器必须具有足够低的偏置电压、偏置点电压漂移、输入偏置电流、噪声等等，以满足精确度的需求。但动态性能的特性的考虑，往往是选择过程中最棘手的问题。因为放大器必须具有满足要求的动态信号特性，。如多路数据采集系统要求运算放大器具有卓越的动态性能。

*放大器配置技术的几个指标因素

时域问题--某些应用要求放大器在输入电压变化的全刻度范围内都有精确的响应。例如，多输入系统的可能出现两个相邻输入端的输入电压信号值都等于满刻度值的情况。放大器及ADC必须在单个采样周期内对此类突然的全刻度变化做出响应。

稳定时间--通常用来描述放大器对大改变量的输入信号响应的能力(见图3所示)输出电压与时间的特性曲线。

图3

稳定时间包括了取决于转换速率的大信号周期以及取决于放大器带宽的小信号稳定周期。转换时间因步长不同而各异。尽管只对特定的步长作了一般性的规定，但对于其它步长的稳定时间还是可从单步的转换期段推断得出。

稳定波形的小信号期段(small-signal portion)受到输入放大器增益的影响。如果放大器被置为较高的增益，系统带宽会下降，从而比例性的增加了稳定波形的小信号期段。

频域性能--许多ADC都被用于数字化动态波形，例如音频。在此类系统中，快速的全刻度信号阶变很少出现，甚至不可能碰到。因此，此类系统的优劣一般以数字化信号的谱纯净度作为衡量准则。支持此类应用的放大器，应带有所需的防失真性能。许多放大器都采用了THD+N(总谐波失真+噪声)进行详细标明。当然也存在其它方面的衡量。所有这些衡量都采用纯净正弦波(或合成正弦波)，并测定输入端不含有，而在输出端出现的光谱内容。

*放大器配置技术中的RC网络应用

输入放大器通常通过RC网络连接到ADC，见图4所示虚线框图。

图4

虽然常被称为滤波器，但此类网络实际上是因ADC输入电路而产生的电流脉冲出现时的一个伺服"调速轮"(flywheel)。RC网络电路的取值同时取决于放大器及ADC的特性，并经常需要针 对特殊应用进行优化。最适宜的电容一般为ADC输入电容值的10=+50倍。电阻值的选择则应当满足速度或应用需求的带宽的要求。

3、驱动ADC的放大器配置技术-实用举例

3.1为什么选择放大器，而不选择变压器？

放大器的性能限制比变压器少。如果必须保持直流(DC)电平，就必须使用放大器，因为变压器是固有的交流(AC)器件。另外，如果需要，变压器可以提供电流隔离。放大器提供增益比较容易，因为放大器的输出阻抗实质上与增益无关。另一方面，变压器的输出阻抗与电压增益呈平方关系增加--电压增益取决于匝数比。放大器在通带范围内提供平坦的响应，而没有由于变压器寄生交互作用引起的纹波。

放大器通常产生的噪声有多大？如何减少这些噪声？

举例考虑—个典型的放大器，例如ADA49371，如果设置增益G=1，那么输出的噪声谱密度在高频部分是 ，与此频带可比的采样速率为80MSPS的AD9446-802ADC的输入噪声谱密度是 。这里的问题是，放大器的噪声带宽等于ADC的全带宽(中心频率位于500MHz)，而ADC的噪声又必须限制在第一奈奎斯特范区(40MHz)。在没有滤波器的情况下，放大器的噪声有效值是155μVrms，ADC的噪声有效值是90μV。从理论上讲，总系统的信噪比(SNR)降低了6dB。为了从实验上证实这—点，用ADA4937驱 动的AD9446-80测量的SNR结果是76dBFS，本底噪声是-118dB。如果改用变压器来驱动AD9446-80，测量SNR结果足82dBFS。因此用放大器驱动ADC可将SNR降低6dB。

为了提高ADC的信噪比，在放大器和ADC之间加了一个滤波器。如果使用的是一个100 MHz的双极点滤波器，放大器的总噪声有效值变为71 μV， 使ADC的信噪比仅降低3dB。使用双极点滤波器改善了SNR达到79 dBFS，本底噪声为-121dB。构建双极点滤波器的方法是放大器的每个输出引脚都串联一个24Ω的电阻器和一个30 nH的电感器并且差分连接一个47pF的电容器，见图5所示的使用外接双极点噪声滤波器的ADA4937放大器驱动AD9446-80ADC原理图。

图5

3.2驱动（△∑ )ADC的放大器配置技术

*输入缓冲器技术

许多△∑转换器包含了输入缓冲器及可编程增益放大器(PGA)。输入缓冲器增加了输入阻抗，允许直接连接高源阻抗的信号。可编程增益放大器增加了测量小信号时转换器的精确度。桥接式传感器就是在转换器中利用了PGA优势的信号源的典型示例。

所有的ADC都需要一个基准，对于高分辨率的转换器来说，拥有一个低噪声、低漂移的基准是至关重要的。大多数的△∑转换器都采用了差分基准输入。

*举例--以新型桥接传感器作为△∑ADC的模拟前端的ADS1230/32/34型△∑ADC芯片。

用于桥接传感器的完全模拟前端ADS1230/32/34型△∑ADC芯片是分别为精密型20位及24位 △∑ADC，具有一个板载超低噪声可编程增益放大器(PGA)及内置振荡器PGA支持用户自选择增益： 1、2。64、128。该ADC具有235位有效分辨率。由3阶调制器及4阶数字滤波器组成，支持10SPS及80SPS的数据率。器件的所有功能都可通过专用的I/O引脚控制，简化了运转模式。图6为ADS1230结构组成示意图。

图6

*主要特点
超低噪声：10SP5时为17nVRMS(PGA=128)，80SP5时为44n nVRMS(PGA=128)V；增益为64时，无噪声分辨率可达19．2位；优异的50至60MHz抑制性能(于10SP5时)；单通道差分输入为AD51230；双通道差分输入为AD51232；四通道差分输入为AD51234；内置温度传感器，有简易的双线串行数字接口；电源电压范围为2.7V至5.25V；封装模式为：TSSOP-16封装(AD51230)，TSSOP-24封装(AD51232)，TSSOP-28封装(AD51234)。可在衡器、应变测量与压力传感器及工业流程控制等设备上应用。

3.2驱动逐次逼近型(SAR)ADC的放大器配置技术

现代的SAR ADC使用简化的电容接受输入信号的电压充电。由于ADC存在输入电容、输入阻抗以及外部电路，因此需要一个稳定时间使采样电容的电压与所测量的电压等值。最小化外部电路的源阻抗是降低的稳定时间的途径之一，并同时确保了在ADC的采集时间内输入信号被准确的获取。但是，另一个更为棘手的设计约束则是SAR ADC输入端所具有的、用以驱动电路的动态负载。

当采用运算放大器驱动器驱动ADC输入时，运算放大器必需能承载这样的动态范围，并在采集时间内稳定于所需要的精度范围。

SAR ADC的基准输入回路也会给基准电压带来相似的负载。尽管基准电压被认为是非常稳定的直流电压，但ADC基准输入端所呈献的动态负载使得这样的目标实现起来有了一定的难度。因此需要为基准电压配备缓冲电路，并且为此所使用的运算放大器应与驱动ADC输入端的运算放大器有着相似的要求。但实际上，此处对运算放大器的需求甚至要高于ADC输入端，因为基准输入必需在一个时钟周期内都保持稳定。部分转换器将这样的基准缓冲放大器内置于芯片中。在缓冲此类输入时，采用具有低宽带输出阻抗的运算放大器是保持此类转换器精确度的最好方法。