如何选择ADC 前端输入配置方式

在电子系统设计中，模数转换器(ADC)的前端输入配置是至关重要的环节，它直接关系到信号采集的精度、稳定性和可靠性。ADC前端输入配置的选择不仅需要考虑信号的特性、系统的需求，还需要兼顾成本、功耗以及实现的复杂度。本文将深入探讨ADC前端输入配置的几种常见方式，包括单端输入、差分输入、伪差分输入以及使用运算放大器进行信号调理的配置，旨在为设计者提供全面的指导和建议。

‌ADC前端输入配置方式主要包括单端输入、差分输入和伪差分输入，每种方式都有其适用场景和优缺点。‌

单端输入

‌单端输入是最简单、最直接的输入方式‌，适用于信号源为单端输出且对噪声抑制要求不高的场合。‌单端输入的优点是成本低、实现简单‌，但缺点是容易受到共模噪声的干扰，影响信号的采集精度。为了减小共模噪声的影响，可以采取一些措施，如使用屏蔽电缆、在信号源和ADC之间加入滤波器等，但这些措施可能会增加系统的复杂度和成本‌。

差分输入

‌差分输入利用两个输入端接收信号的正负分量，从而有效地抑制共模噪声‌。差分输入的优点是噪声抑制能力强、信号动态范围大，适用于对信号精度和稳定性要求较高的场合。‌差分输入配置的实现相对复杂‌，但能够提供更高的信号质量和稳定性‌1。差分输入要求信号源能够提供差分输出，或者通过信号调理电路将单端信号转换为差分信号‌。

伪差分输入

‌伪差分输入是一种介于单端输入和差分输入之间的折衷方案‌。它利用一个输入端接收信号，另一个输入端连接到地或参考电压，从而模拟差分输入的效果。伪差分输入的优点是成本较低、实现相对简单，但噪声抑制能力介于单端输入和差分输入之间。伪差分输入适用于信号源为单端输出但对噪声抑制有一定要求的场合。通过选择合适的电阻和电容值，可以优化伪差分输入的性能，使其在满足噪声抑制需求的同时保持较低的成本和实现复杂度‌。

### 一、单端输入配置

单端输入配置是最简单、最直接的输入方式，适用于信号源为单端输出、且对噪声抑制要求不高的场合。在这种配置中，ADC的输入端直接连接到信号源，无需额外的信号调理电路。单端输入的优点是成本低、实现简单，但缺点是容易受到共模噪声的干扰，影响信号的采集精度。

为了减小共模噪声的影响，可以采取一些措施，如使用屏蔽电缆、在信号源和ADC之间加入滤波器等。然而，这些措施可能会增加系统的复杂度和成本。因此，在选择单端输入配置时，需要权衡噪声抑制需求和系统设计成本之间的关系。

### 二、差分输入配置

差分输入配置是另一种常见的ADC前端输入方式，它利用两个输入端接收信号的正负分量，从而有效地抑制共模噪声。差分输入的优点是噪声抑制能力强、信号动态范围大，适用于对信号精度和稳定性要求较高的场合。

在差分输入配置中，ADC的输入端通常设计为差分对的形式，即两个输入端分别接收信号的正负分量。这种配置要求信号源能够提供差分输出，或者通过信号调理电路将单端信号转换为差分信号。差分输入配置的实现相对复杂，但能够提供更高的信号质量和稳定性。

### 三、伪差分输入配置

伪差分输入配置是一种介于单端输入和差分输入之间的折衷方案。它利用一个输入端接收信号，另一个输入端连接到地或参考电压，从而模拟差分输入的效果。伪差分输入的优点是成本较低、实现相对简单，但噪声抑制能力介于单端输入和差分输入之间。

伪差分输入配置适用于信号源为单端输出，但对噪声抑制有一定要求的场合。通过选择合适的电阻和电容值，可以优化伪差分输入的性能，使其在满足噪声抑制需求的同时，保持较低的成本和实现复杂度。

### 四、使用运算放大器进行信号调理的配置

在某些场合，信号源输出的信号可能不适合直接输入到ADC中，需要进行信号调理。运算放大器作为一种重要的信号调理元件，在ADC前端输入配置中发挥着重要作用。通过使用运算放大器，可以实现信号的放大、衰减、滤波、电平转换等功能，从而满足ADC输入的要求。

在使用运算放大器进行信号调理时，需要考虑运算放大器的性能参数，如增益、带宽、噪声、稳定性等。选择合适的运算放大器对于保证信号调理的效果和ADC的采集精度至关重要。此外，还需要注意运算放大器的输入阻抗和输出阻抗对系统性能的影响，以及运算放大器与ADC之间的匹配问题。

基本输入接口考虑

采用高输入频率、高速模数转换器(ADC)的系统设计是一 项具挑战性的任务。ADC输入接口设计有6个主要条件： 输入阻抗、输入驱动、带宽、通带平坦度、噪声和失真。

输入阻抗

输入阻抗是设计的特征阻抗。ADC的内部输入阻抗取决于 ADC架构的类型，ADC供应商会在数据手册或产品页面上 提供这一数据。电压驻波比(VWSR)与输入阻抗密切相 关，衡量目标带宽内反射到负载中的功率量。该参数设置 实现ADC满量程输入所需的输入驱动电平，因此很重要。 当源阻抗与负载阻抗相等时，发生最大功率传输

输入驱动

输入驱动与带宽特性相关，可设置特定应用所需的系统增 益。输入驱动电平应在前端设计开始之前确定，取决于所 选的前端器件，如滤波器、变压器和放大器等。

带宽和通带平坦度

带宽是系统要使用的频率范围。通带平坦度是指定带宽内 的波动量;引起波动的原因可能是纹波效应，或者是巴特 沃兹滤波器的慢速滚降特性。通带平坦度通常小于1 dB，对 于设置整体系统增益至关重要。

噪声

信噪比(SNR)和失真要求对ADC的选择有帮助，因而一般 在设计早期确定。转换器看到的噪声量与其自己的噪声量 之比即为SNR。SNR与带宽、信号质量(抖动)和增益相关。 提高增益也会提高与之相关的噪声成分。

失真

失真由无杂散动态范围(SFDR)来衡量，SFDR指rms满量程 与峰值杂散频谱成分的rms值之比。SFDR主要受两个因素 的控制。第一个因素是前端平衡质量的线性度，它主要与 二次谐波失真有关。第二个因素是所需的增益和输入匹 配。较高的增益要求会提高匹配难度。此外，高增益要求 会压缩ADC内部器件的裕量，从而提高非线性度，而且由 于有更多功率经过外部无源器件，它们的非线性度也会提 高。这种效应一般被视为三次谐波。

变压器耦合前端

一般说来，变压器耦合前端能够驱动较高中频而无显著损 耗，具有更宽的带宽，功耗更低，并能提供固有的交流耦 合。多匝比率变压器还能提供无噪声增益。另一方面，设 计具有较高阻抗/匝数比的变压器耦合前端可能很困难，因 为这会降低带宽、幅度，引起相位不平衡，有时还会使通 带纹波性能下降。 将变压器用于ADC前端时，必须记住：任何两个变压器都 不会完全相同，即使其数据手册看起来一样。例如，1:1阻 抗比并不意味着次级端阻抗为50 Ω。要么使用数据手册中的 回波损耗数据，要么利用ENA测量。变压器数据手册上的 带宽一般应减半使用，因为变压器通常是在理想条件下利 用PCB提取技术测量。增益大于1:1阻抗比的变压器，其带 宽更低，而且更难使用。当频率高于150 MHz时，由于变压 器固有的相位不平衡，HD2开始升高。为解决这个问题， 应使用两个变压器，或者使用一个更好的变压器。

有源耦合前端网络

大多数有源耦合前端网络使用放大器。 针对交流和直流耦合应用选择放大器时，应考虑以下几 点： •

共模问题，工作电压低至1 VCM •

电源问题(输入范围是多少?输出范围是多少?) •

某些放大器只能用于交流耦合 •

输出端串联电阻使放大器保持稳定(5 Ω至10 Ω) •

遵守数据手册中的布局布线指南：

消除第二层上的地以 保持低输出电流，并且避免振荡。