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SAR模数转换器的前端器件设计探究

2013-10-23 10:54
铁马老言
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  2  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(>100 kHz)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80 MHz(20 mV p-p信号),但大信号带宽仅3 MHz(2 V p-p信号)。上例采用AD7980,计算的RC带宽为3.11 MHz.对于较低的输入频率,ADA4841-1是很好的选择,因为其80 MHz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3.93 MHz.这种情况下,更合适的放大器是ADA4897-1,它具有30 MHz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8 V阶跃给出的0.01%建立时间为1 μs.在驱动1 MSPS(1 μs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500 kSPS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(0.1 Hz至10 Hz)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。

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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。

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  其中, en = 噪声频谱密度(V/Hz), N = 放大器电路噪声增益, BWRC = R带宽(Hz)

  然后,通常通过下式计算低频1/f噪声;它通常指定为峰峰值,需要转换为均方根值。

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  其中,

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  = 1/f峰峰值噪声电压,N = 放大器电路噪声增益。

  总噪声为以上两个噪声的和方根:

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  为将驱动器噪声对总SNR的影响降至最低,此总噪声应为ADC噪声的1/10左右。根据目标系统的SNR要求,可能还允许更高的噪声。例如,如果ADC的SNR为91 dB, VREF= 5 V,则总噪声应小于或等于

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  由此值很容易算出1/f噪声和宽带噪声谱密度的最大允许值。假设拟用的放大器具有可忽略不计的1/f噪声,以单位增益工作,并采用RC带宽为上例计算值(3.11 MHz)的滤波器,那么

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  因此,该放大器的宽带噪声谱密度必须小于或等于2.26 nV/√Hz.ADA4841-1的宽带噪声谱密度为2.1 nV/√Hz,符合这一要求。

  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100 dB的总谐波失真(THD),18位ADC需要大约110 dB.图8显示对于2 V p-p输入信号,ADA4841-1的典型失真与频率的关系图。

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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,而是一般最为重要的二次和三次谐波成分。ADA4841-1的噪声非常小,失真特性优异,足以驱动18位ADC到大约30 kHz.当输入频率接近100 kHz或更高时,失真性能开始下降。为在高频时实现低失真,需要使用功耗更高、带宽更宽的放大器。较大的信号也会降低性能。对于0 V至5 V的ADC输入,失真性能信号范围将提高到5 V p-p.从图8所示的失真图可看出,这将产生不同的性能,因此放大器可能需要测试,以确保它满足要求。图9比较了多个输出电压水平的失真性能。

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图9. 不同输出电压水平下失真与频率的关系

  裕量,即放大器最大实际输入/输出摆幅与正负电轨之差,也可能影响THD.放大器可能具有轨到轨输入和/或输出,或者要求最高1 V甚至更大的裕量。即便是轨到轨输入/输出,如果工作信号电平接近放大器的供电轨,也将难以获得良好的失真性能。因此,最好应选择让最大输入/输出信号远离供电轨的电源电平。考虑一个0 V至5 V输入范围的ADC,采用ADA4841-1放大器驱动,需要将ADC的范围提高到最大。该放大器具有轨到轨输出,对输入有1 V的裕量要求。如果用作单位增益放大器,则至少需要1 V的输入裕量,正电源至少必须是6 V.输出为轨到轨,但仍然只能驱动到地或正供电轨的大约25 mV范围内,因而需要一个负供电轨,以便一直驱动到地。为了给失真性能留有一定的裕量,负供电轨可以是-1 V.

  如果允许降低ADC输入范围,从而丧失一定的SNR,则可以消除负电源。例如,如果ADC的输入范围降为0.5 V至5 V,此10%损失将导致SNR降低大约1 dB.然而,这样就可以将负供电轨接地,从而消除用以产生负电源的电路,降低功耗和成本。

  3  结语

  因此,选择放大器时,务必考虑输入和输出信号范围要求,以便确定所需的电源电压。本例中,额定工作电压为5 V的放大器不能满足要求;但ADA4841-1的额定电压高达12 V,所以使用较高的电源电压将能实现出色的性能,并提供充足的电源裕量。

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