将ADC介接到高效能运算放大器

前言：一般而言，用来驱动现今高分辨率类比/数码转换器的电源都是拥有数百欧姆或以上的AC或DC负载。因此，一个具备有高输入阻抗(数百万欧姆)和低输出阻抗的运算放大器便成为ADC驱动器输入的最佳选择。ADC驱动器可作为缓冲器和低通滤波器之应用，以减低系统的整体杂讯。

随着讯号在电路板的布线和冗长电缆上传送，系统杂讯会积聚在讯号里，而一个差动ADC会拒绝任何看来像共模电压的讯号杂讯。相比起单端的讯号，采用差动讯号有好几个优点。首先，差动讯号可将ADC的动态范围增大一倍。其次，它可提供更佳的谐波失真效能。现今有几个方法可从一个双重运算放大器配置产生出差动讯号。其中一种方法是采用单端/差动转换技术，而另一种则需动用差动输入源。为了利用完全的ADC的动态范围，ADC的输入必须被驱动至满刻度的输入电压。

本文将会讨论三种不同的ADC驱动器架构：单到单、单端到差动和差动到差动。主要目的是希望能扼要地提供一切用ADC介接高效能运算放大器的资料。

讯号路径的必要组件

以下会把讯号路径中的类比前端设计之几个组成部份一起讨论。典型讯号路径的类比前端包括有一个用来驱动ADC的运算放大器、一个RC滤波器、ADC和微控制器或数码讯号处理器(DSP)。

图1：典型讯号路径的类比前端方块图

现实世界中的输入源会带有不理想的阻抗，因此需依赖一个很低输出阻抗的缓冲放大器来驱动ADC的输入。然而，外置的RL-CL滤波器会作用为一个抗叠频滤波器，以帮助减低ADC驱动器的杂讯频宽，以及缓冲由ADC取样和保持电路所引致的充电瞬时。为了尽量减低输入电压的跌降，外置的并列电容(CL)必须比ADC的内置输入电容大10倍，而同时外置的串行电容(RL)亦必须够大以固定发生在运算放大器输出的相位延迟，从而维持电路的稳定性。对于大部份的应用而言，在运算放大器输出和ADC输入之间用一个串行隔离电阻来连接，都可以带来益处，因为这个串行电阻可有助限制运算放大器的输出电流，而为这个串行电阻选定数值是一项非常重要的工作。

一个比较高的电阻值将会增加运算放大器的负载阻抗，从而改善运算放大器的整体谐波失真(THD)效能。可是，ADC通常都较喜欢以一个低阻抗的源来驱动。因此，必须为这个串行电阻找出最佳的数值，才能一同为运算放大器和ADC带来最佳的THD、SNR和SFDR效能。当把ADC连接到一个运算放大器时，最重要是了解将会影响到效能的规格。现今的ADC规格，例如是THD、SNR、设置时间和SFDR等，它们均对滤波、测量、视频和重现应用很关键。高效能运算放大器的设置时间、THD和杂讯效能必须比被驱动的ADC的效能更好，以确保系统的精确度以及将错误减至最低或甚至消除。

在本文中， LMH6611或LMH6618单一运算放大器会被用来驱动单通道的ADC121S101 类比/数码转换器，而另一方面，LMH6612或LMH6619双重运算放大器会被用来驱动差动输入的ADC121S625或ADC121S705类比/数码转换器。这些放大器的应用范围相当广泛，特别适用于要求高速、低供电电流、低杂讯，以及需要驱动复杂ADC和视频负载的应用。

运算放大器和ADC的重要规格

在现实中，有些系统应用会要求低THD、低SFDR和宽阔动态范围(SNR)，而另一些则可能要求高SNR，并且可能会牺牲THD和SFDR的效能来换取更佳的杂讯效能。

对于运算放大器和ADC而言，杂讯都是一项很重要的规格。这里有三个主要影响ADC整体效能的杂讯来源：量化杂讯--是由ADC本身所产生的杂讯(尤其在较高的频率下)，以及由应用电路所产生的杂讯。输入源的阻抗可影响运算放大器的杂讯效能。理论上，ADC的讯号与杂讯的比例(SNR)可用下列算式计算出来：

算式中的N是ADC的分辨率。例如根据这条算式，一个12位的ADC便拥有74dB的SNR。可是，实际的SNR数值会大约是72dB。为获得更佳的SNR，ADC驱动器杂讯应该愈小愈好。LMH6611/LMH6612/LMH6618/LMH6619的低电压杂讯仅为10 nV/ 。

运算放大器和ADC的整体设置时间必须在1 LSB之内，而LMH6618/LMH6619和LMH6611/LMH6612的0.01%设置时间分别为120ns和100ns。

此外，ADC驱动器的THD必须低于ADC。LMH6618/LMH6619在2VPP输出和100 KHz输入频率时的SFDR为100dBc，而LMH6611/LMH6612在2VPP输出和1 MHz 输入频率时的SFDR则为90dBc。

讯号/杂讯比和失真(SINAD)是一个参数，它结合了SNR和THD这两个规格。SINAD是指输出讯号的RMS值与所有其它低于时钟频率一半的光谱成份之RMS值之比例，这包括谐波但不包括DC，以及可凭下列算式从SNR和THR中计算出来：

由于SINAD是将输入频率与所有不良频率成份作比较，所以它其实是ADC动态效能的一个整体性测量。以下的部份将会详细讨论三种不同的ADC驱动器架构。

1. 单到单ADC驱动器

这个架构有一个单端式输入源接驳到运算放大器的输入，然后此运算放大器的单端式输出会再接驳到ADC的单端式输入。仅仅10 nV/ 的低杂讯和130 MHz的宽阔频宽促使LMH6618成为驱动12位ADC121S101 500KSPS至1MSPS 类比/数码转换器的首选，这个ADC拥有一个具备内置取样和保持电路的逐次逼近架构(successive approximation architecture)。图2所示为一个驱动ADC121S101的LMH6618之原理图，所用的是具备有增益-1(反相)的二阶多重反馈配置。图中的反相配置比起非反相的为佳，原因是反相配置可提供更多的线性输出回应。表1列出LMH6611或LMH6618与ADC121S101组合后的效能资料。图3表示出在f = 200 KHz时的LMH6611和ADC121S101组合之FET绘图。ADC驱动器的500 KHz截止频率可从下列算式计算出来：

运算放大器的增益由下列算式设定：

图2：单到单ADC驱动器

图3：单到单ADC驱动器的FET绘图

表1：LMH6611/LMH6618与ADC121S101组合后的效能

2. 单端到差动ADC驱动器

图4中的单端到差动ADC驱动器采用了LMH6612双重运算放大器来缓冲一个单端源，以便驱动一个具备有差动输入的ADC。其中一个运算放大器会被配置成一个单位增益缓冲器，并负责驱动运算放大器U2的反相(IN-)输入和ADC121S625的非反相(IN+)输入。U2把输入讯号倒向并驱动ADC121S625的反相输入。U2的增益配置为+2，因此可在无需牺牲THD效能下减低杂讯。至于2.5V的共模电压会同时设立在两个运算放大器U1和U2的非反相输入。

当0至VREF的单端输入讯号被AC耦合到运算放大器的非反相终端时，以及当每一个运算放大器的非反相终端在中标量2.5V下被偏压时，这种配置便可产生±2.5Vpp的差动输出讯号。此外，两个输出RC抗叠频滤波器会同时使用在U1和U2的输出与ADC121S625的输入之间，以减轻来自输入源的不良高频杂讯之影响。每一个RC滤波器均具备有约22 MHz.的截止频率。图5表示出在f = 20 KHz时LMH6612和ADC121S625组合的FET绘图。

图4：单端到差动ADC驱动器

图5：单端到差动ADC驱动器的FET绘图

表2：LMH6612/LMH6619与ADC121S625两个组合的效能资料

3. 差动到差动ADC驱动器

LMH6619双重运算放大器可以被配置成一个差动到差动的ADC驱动器，以便用来将一个差动源缓冲到一个差动输入ADC，正如图6所示。该差动到差动ADC驱动器可用两个单到单ADC驱动器组成。这些驱动器的每一个输出会接驳到差动ADC的个别输入。在这里每一个单到单ADC驱动器都采用相同的组件，并且配置成增益-1(反相)。

图6：差动到差动ADC驱动器

下表分别总结出LMH6612和LMH6619与ADC121S625和ADC121S705这四个组合的效能。表中同时包括有LMH6612和LMH6619分别在2个不同的频率下连接到两个ADC的资料。为了用尽ADC的整个动态范围，25VPP的最高输入会施加到ADC的输入。图7表示出在f = 20 KHz时LMH6612和ADC121S625组合的FET绘图。

表3：LMH6612和LMH6619分别连接到ADC121S625和ADC121S70后的效能

图7：差动到差动 ADC驱动器的FET绘图

接地和电路板布局考虑

将输入源接地连接到电源接地是非常重要的。对于上述每一个的ADC驱动器配置，当建立电阻器网络以确保差动输出拥有相同增益时，必须同时考虑讯号源的阻抗。例如，一个音频精确讯号产生器拥有22Ω的源阻抗，而电路板则有一个50Ω的终端，因此设计人员必须调节增益和输入，以便能在运算放大器的输出处获取所需的讯号。

为了获得最佳的高频效能，以下是一些电路板布局的建议：

•将ADC和放大器放置得愈接近愈好
•将供电旁路电容器尽量放近装置(距离少于1英寸)
•采用表面黏着而非穿孔式组件，以及采用接地和电源层
•尽量减少布线的长度
•为冗长布线采用终端式传输线

图8：差动到差动ADC驱动器的电路板布局

LMH6612/LMH6619只消耗仅6.5mA/2.5Ma的电流，相比起市面上大部份的全差动放大器少了超过20mA。采用LMH6611/LMH6612/LMH6618/LMH6619的主要优点是低功率和低成本。当中，LMH6611和LMH6612最适合使用在那些在奈奎斯特(Nyquist)频率20 KHz至2 MHz下运行的应用，而LMH6618和LMH6619则最适合使用在那些在奈奎斯特频率20 KHz至500 MHz下运行的应用。

总括而言，本文涵盖了所有重要的考虑因素，包括外置RL-CL网络的选择以及运算放大器的关键参数：象是THD、设置时间和杂讯，这些都是在把高效能运算放大器连接到ADC时所必须考虑的参数。此外，本文还详细讨论了三种不同的ADC驱动器配置，并且在实验室进行了严谨的测试。最后，本文亦论及接地和电路板布局时需要注意的地方，从而改善系统的效能。