高性能運(yùn)算放大器與ADC的接口設(shè)計(jì)

用來(lái)驅(qū)動(dòng)高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的信號(hào)源具有數(shù)百歐姆或更大的高頻交流負(fù)載和直流負(fù)載。因此，具有數(shù)兆歐姆高輸入阻抗以及低輸出阻抗的高性能運(yùn)算放大器是輸入ADC驅(qū)動(dòng)器的理想選擇。ADC驅(qū)動(dòng)器被用作緩沖器和低通濾波器以降低整體系統(tǒng)噪聲。

當(dāng)信號(hào)沿著PCB走線和很長(zhǎng)的電纜傳輸時(shí)，系統(tǒng)中的信號(hào)噪聲在累積，差分ADC抑制所有以共模電壓出現(xiàn)的信號(hào)噪聲。采用差分信號(hào)而不是單端信號(hào)有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：差分信號(hào)可使ADC動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)大兩倍，以及提供更好的諧波失真性能。

通過(guò)雙運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)產(chǎn)生差分信號(hào)的方法有好幾種，兩種常見(jiàn)方法是單端-差分轉(zhuǎn)換和差分-差分轉(zhuǎn)換。前者要求單輸入源，后者要求差分輸入源。為利用ADC的整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍，必須將輸入驅(qū)動(dòng)至滿量程輸入電壓。

信號(hào)路徑的基本考慮要素

有效設(shè)計(jì)信號(hào)路徑模擬前端必須連接一些關(guān)鍵的元件(圖)。典型的信號(hào)路徑模擬前端包括驅(qū)動(dòng)ADC的運(yùn)算放大器、RC濾波器以及微控制器或者數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)。

典型的信號(hào)通道模擬前端包括驅(qū)動(dòng)ADC、RC濾波器以及MCU或DSP的運(yùn)算放大器。

實(shí)際的輸入源阻抗可能并非理想，因此必須用輸出阻抗非常低的緩沖放大器來(lái)驅(qū)動(dòng)ADC輸入。外部RL-CL濾波器用作抗混疊濾波器，它有助于降低ADC驅(qū)動(dòng)器的噪聲帶寬，并對(duì)ADC采樣保持電路產(chǎn)生的充電瞬變進(jìn)行緩沖。為盡量降低輸入電壓的下降，外部并聯(lián)電容值(CL)應(yīng)該比ADC內(nèi)部輸入電容大10倍左右。此外，外部串聯(lián)電阻(RL)應(yīng)該足夠大，以便在運(yùn)算放大器輸出端保持相位延遲，從而保持穩(wěn)定性。

在運(yùn)算放大器輸出與ADC輸入之間接串聯(lián)隔離電阻對(duì)大多數(shù)應(yīng)用都有好處。這個(gè)串聯(lián)電阻有助于限制運(yùn)算放大器的輸出電流。串聯(lián)電路的阻值選擇很重要，較大的阻值則將增加從運(yùn)算放大器端看過(guò)去的負(fù)載阻抗，并改善運(yùn)算放大器的總諧波失真(THD)性能。不過(guò)，ADC最好由低阻抗源驅(qū)動(dòng)，因此，必須找出此串聯(lián)電阻的最佳阻值，以提供運(yùn)算放大器和ADC組合電路的最佳指標(biāo)，包括THD、信噪比(SNR)和無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)。

當(dāng)將ADC與運(yùn)算放大器進(jìn)行接口，必須了解對(duì)獲得所期望性能結(jié)果而言非常重要的技術(shù)參數(shù)。現(xiàn)代ADC的交流參數(shù)，如THD、SNR、建立時(shí)間以及SFDR，在濾波、測(cè)試與測(cè)量、視頻和重建應(yīng)用中都很關(guān)鍵。高性能運(yùn)算放大器的建立時(shí)間、THD和噪聲性能必須好于被驅(qū)動(dòng)的ADC的相應(yīng)值，以使系統(tǒng)具有合適的精度，而誤差卻最小或者沒(méi)有誤差。

在本文設(shè)計(jì)中，可以采用LMH6611或 LMH6618單運(yùn)算放大器來(lái)驅(qū)動(dòng)單通道ADC121S101 ADC，可以采用LMH6612 或LMH6619雙運(yùn)算放大器來(lái)驅(qū)動(dòng)差分輸入ADC121S625 或ADC121S705 ADC。這些放大器專門(mén)為要求高速、低電源電流、低噪聲以及具有驅(qū)動(dòng)復(fù)雜ADC和視頻負(fù)載能力的大范圍應(yīng)用而設(shè)計(jì)，使用起來(lái)非常方便。

[!--empirenews.page--]關(guān)鍵的運(yùn)算放大器和ADC參數(shù)

有些系統(tǒng)應(yīng)用要求低THD、低SFDR和寬動(dòng)態(tài)范圍。有些系統(tǒng)則要求高SNR，這可能為了突出噪聲性能而犧牲THD和SFDR。

對(duì)運(yùn)算放大器和ADC而言，噪聲是非常重要的技術(shù)參數(shù)。影響ADC總體性能的噪聲源主要有三個(gè)，即量化噪聲、ADC本身產(chǎn)生的噪聲(特別是在較高頻率下)以及應(yīng)用電路產(chǎn)生的噪聲。輸入源的阻抗可影響運(yùn)算放大器的噪聲性能。理論上，ADC的SNR可用下式求得：

SNR=6.02N+1.72 單位：dB

其中，N是ADC的分辨率。根據(jù)上式，12位ADC的SNR是74dB。不過(guò)，實(shí)際SNR值可能為72dB左右。為獲得更好的SNR性能，ADC驅(qū)動(dòng)器噪聲應(yīng)該盡可能低。LMH6611/LMH6612/LMH6618/LMH6619電壓噪聲只有10nV/vHz。

ADC驅(qū)動(dòng)器的THD本身就應(yīng)比ADC的THD低。LMH6618/LMH6619在2V(峰峰值)輸出和100kHz輸入頻率下的SFDR為100dBc。LMH6611/LMH6612在2V(峰峰值)輸出和1MHz輸入頻率下的SFDR為90dBc。

信噪失真比(SINAD)是綜合了SNR和THD的一個(gè)參數(shù)。SINAD定義為輸出信號(hào)RMS值與低于時(shí)鐘頻率一半的所有其它頻譜分量(包括諧波但不包括直流)RMS值的比，是衡量整體ADC動(dòng)態(tài)性能的一個(gè)參數(shù)?？筛鶕?jù)下式從SNR和THD得到SINAD：