ADI:16位10 MSPS ADC AD7626的單端轉(zhuǎn)差分高速驅(qū)動(dòng)電子線路設(shè)計(jì)

電路特點(diǎn)

16位10MSPS PulSAR ADC

經(jīng)過(guò)優(yōu)化的單端至差分驅(qū)動(dòng)器

輸入為2.4MHz時(shí)，SNR為88dB

電路功能

圖1所示電路可將高頻單端輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為平衡差分信號(hào)，用于驅(qū)動(dòng)16位10 MSPS PulSAR® ADC AD7626。該電路采用低功耗差分放大器ADA4932-1 來(lái)驅(qū)動(dòng)ADC，最大限度提升AD7626的高頻輸入信號(hào)音性能。此器件組合的真正優(yōu)勢(shì)在于低功耗、高性能。

AD7626具有突破業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)態(tài)性能，在10 MSPS下信噪比為91.5 dB，實(shí)現(xiàn)16位INL性能，無(wú)延遲，LVDS接口，功耗僅有136 mW。AD7626使用SAR架構(gòu)，主要特性是能夠以10 MSPS無(wú)延遲采樣，不會(huì)發(fā)生流水線式ADC常有的“流水線延遲”，同時(shí)具備出色的線性度。

ADA4932-1具有低失真(10 MHz時(shí)100 dB SFDR)、快速建立時(shí)間(9 ns達(dá)到0.1%)、高帶寬(560 MHz，-3 dB，G = 1)和低電流(9.6 mA)等特性，是驅(qū)動(dòng)AD7626的理想選擇。它還能輕松設(shè)定所需的輸出共模電壓。

該組合提供了業(yè)界領(lǐng)先的動(dòng)態(tài)性能并減小了電路板面積：AD7626采用5 mm × 5mm、32引腳LFCSP封裝，ADA4932 -1采用3mm× 3mm、16引腳LFCSP封裝)，AD8031 采用5引腳SOT23封裝。

電路描述

采用差分放大器成功驅(qū)動(dòng)ADC需要正確平衡差分放大器的各端。

圖1顯示了ADA4932-1、AD7626和相關(guān)電路的原理圖。在使用的測(cè)試電路中，信號(hào)源之后配置有2.4 MHz帶通濾波器。該帶通濾波器能抑制2.4 MHz信號(hào)的諧波，并確保只有目標(biāo)頻率的信號(hào)能夠通過(guò)并由ADA4932-1和AD7626進(jìn)行處理。

本例中信號(hào)源的特性阻抗為50 Ω，通過(guò)帶通濾波器交流耦合到ADA4932-1。將信號(hào)源施加于ADA4932-1的正輸入時(shí)，要求信號(hào)源也以50 Ω正確端接(通常情況下任何源阻抗均可)。選中端接電阻R2，以使R2與ADA4932-1輸入阻抗的并聯(lián)組合等于50 Ω。

為使ADA4932-1的兩個(gè)輸入端保持適當(dāng)平衡和對(duì)稱，與輸入源阻抗等效的戴維南阻抗和端阻抗必須添加到反相輸入端。在這種情況下，就涉及到濾波器的交流特性。

如圖1所示，戴維南等效網(wǎng)絡(luò)顯示在ADA4932-1的反相輸入端。頻率為2.4 MHz時(shí)，此電路性能得到優(yōu)化。C1和R4串聯(lián)組合后，與電阻R1并聯(lián)。頻率為2.4 MHz時(shí)，C1和R4的復(fù)合串聯(lián)組合等于55.6 Ω。與R1并聯(lián)的55.6 Ω阻抗與戴維南等效電路在同相輸入端的輸入阻抗只有幾歐姆之差。兩個(gè)輸入的匹配可確保輸出對(duì)稱、均衡且經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)最低失真。

有關(guān)單端輸入端接方法的詳細(xì)說(shuō)明，請(qǐng)參閱應(yīng)用筆記AN-1026“高速差分ADC驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)考慮”。此外，ADI公司DiffAmpCalcuator™設(shè)計(jì)工具大大簡(jiǎn)化了這一操作，并針對(duì)與差分放大器設(shè)計(jì)有關(guān)的其他問(wèn)題提供了獨(dú)到見(jiàn)解。

ADA4932-1差分驅(qū)動(dòng)器的增益配置約為1(單端輸入至差分輸出)。由于50 Ω信號(hào)源以及在ADA4932-1輸入端匹配的端阻抗的作用，相對(duì)于戴維南等效信號(hào)源電壓，通道的凈總增益大約為0.5。

使用配置為單位增益緩沖器的AD8031來(lái)緩沖AD7626的VCM輸出電壓(標(biāo)稱+2.048 V)，即可設(shè)定ADA4932-1輸出的共模電壓。AD8031為ADA4932-1 VOCM引腳提供低源阻抗，并能驅(qū)動(dòng)大型旁路電容，如圖1所示。

當(dāng)驅(qū)動(dòng)AD7626(帶開關(guān)電容輸入的10 MSPS ADC)的高頻輸入時(shí)，ADA4932-1的作用尤其顯著。ADA4932-1和AD7626 的IN+和IN-引腳之間的電阻(R8、R9)和電容(C5、C6)電路可充當(dāng)?shù)屯ㄔ肼暈V波器。該濾波器限制了AD7626的輸入帶寬，但其主要功能是優(yōu)化驅(qū)動(dòng)放大器和AD7626之間的接口。串聯(lián)電阻將驅(qū)動(dòng)放大器與ADC開關(guān)電容器前端的高頻開關(guān)尖峰隔離。AD7626數(shù)據(jù)手冊(cè)顯示了20 Ω和56 pF的值。在圖1所示電路中，這些值根據(jù)實(shí)際應(yīng)用優(yōu)化為33 Ω和56 pF。若要針對(duì)轉(zhuǎn)換中的電路和輸入頻率對(duì)電阻-電容組合進(jìn)行略微優(yōu)化，只需改變R-C組合即可。但是切記，若組合不當(dāng)，將限制AD7626的總諧波失真(THD)和線性度性能。此外，ADC帶寬的增加會(huì)引起更多噪聲。

ADA4932-1電源電壓的選擇也得到了優(yōu)化。在電路中，對(duì)應(yīng)于4.096V的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓，AD7626的輸出共模電壓(VCM引腳)為 2.048 V，每個(gè)輸入(IN+、IN-)在0 V和+4.096 V之間擺幅，發(fā)生180°錯(cuò)相，這提供了ADC的8.2 V滿量程差分輸入。對(duì)于線性運(yùn)算的每個(gè)電源電壓，ADA4932-1輸出級(jí)需要大約1.4 V的裕量。當(dāng)電源電壓關(guān)于共模電壓大致對(duì)稱時(shí)，能獲得最佳失真性能。如果選定-2.5 V負(fù)電源，則至少需要大約+6.5 V正電源才能關(guān)于2.048V共模電壓對(duì)稱。

實(shí)驗(yàn)表明，+7.25 V正電源可為2.4 MHz信號(hào)音提供最佳的總失真性能。

使用低抖動(dòng)時(shí)鐘源和AD7626的單音-1 dBFS幅度2.402 MHz輸入，可產(chǎn)生圖2所示的FFT結(jié)果：信噪比為88.49 dB，總諧波失真為-86.17 dBc。從圖中可以看到，基波的諧波重新混疊到通帶。例如，采樣率為10 MSPS時(shí)，三次諧波(7.206 MHz)會(huì)在10.000 MHz-7.206 MHz = 2.794 MHz混疊到通帶。圖3所示為-6 dBfs幅度信號(hào)音的第二個(gè)FFT坐標(biāo)圖。

圖2. AD7626輸出，64，000點(diǎn)，F(xiàn)FT坐標(biāo)圖，-1 dBFS幅度，2.40173 MHz的輸入信號(hào)音，10.000 MSPS采樣率

圖3. AD7626輸出，64，000點(diǎn)，F(xiàn)FT坐標(biāo)圖，-6 dBFS幅度，2.40173 MHz輸入信號(hào)音，10.000 MSPS采樣率

計(jì)算信噪比和總諧波失真時(shí)，用整個(gè)奈奎斯特帶寬的平均噪聲取代了電路所用帶通濾波器的通帶準(zhǔn)許通過(guò)的非諧波噪聲。

該電路或任何高速電路的性能都高度依賴于適當(dāng)?shù)腜CB布局，包括但不限于電源旁路、受控阻抗線路(如需要)、元件放置、信號(hào)路由以及電源層和接地層。(有關(guān)PCB布局的詳細(xì)信息，請(qǐng)參見(jiàn)MT-031教程， MT-101教程 和高速印刷電路板布局實(shí)用指南一文。)[!--empirenews.page--]

AD7626—典型連接和基準(zhǔn)電壓配置

AD7626的典型連接圖。AD7626集成一個(gè)內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源，還可根據(jù)系統(tǒng)要求提供兩個(gè)外部基準(zhǔn)電壓源。將 ADR280基準(zhǔn)輸出(1.2 V)施加到REFIN引腳可產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓，然后由片內(nèi)基準(zhǔn)電壓緩沖內(nèi)部放大到正確的ADC基準(zhǔn)電壓4.096 V。ADR280可由用于AD7626的同一5 V模擬供電軌供電，同時(shí)使用片內(nèi)基準(zhǔn)電壓緩沖?；蛘?，也可以將4.096 V外部基準(zhǔn)電壓(ADR434 或 ADR444) )施加到ADC的非緩沖REF輸入。此做法在多通道應(yīng)用中很常見(jiàn)，在此類應(yīng)用中，系統(tǒng)基準(zhǔn)電壓通常是分立緩沖的(使用AD8031)，并且由所有ADC通道共享。ADR434和ADR444的配置也極其適用于單通道應(yīng)用，此類應(yīng)用需要較低的基準(zhǔn)電壓源溫度系數(shù)(ADR434B和ADR444B最大為3 ppm/°C)。用于為放大器ADA4932-1供電的正供電軌也能為ADR434或ADR444的VIN電源引腳供電。

電路常見(jiàn)變化

經(jīng)驗(yàn)證，采用圖中所示的元件值，該電路能夠穩(wěn)定地工作，并具有良好的精度。雖然此電路為直流耦合，但應(yīng)用于交流耦合也很常見(jiàn)。該電路的常見(jiàn)變化包括單電源電壓、以差分方式驅(qū)動(dòng)的輸入以及需要信號(hào)衰減的輸入。其它ADC驅(qū)動(dòng)/差分放大器也可用于根據(jù)具體應(yīng)用調(diào)整性能(如功率、噪聲、帶寬、架構(gòu)等)。

如AD7626數(shù)據(jù)手冊(cè)所示，當(dāng)輸入頻率為1MHz或更低時(shí)，推薦使用驅(qū)動(dòng)放大器ADA4899-1。如數(shù)據(jù)手冊(cè)中AD7626典型工作特性一節(jié)的高頻坐標(biāo)圖所示，使用ADA4938-1可通過(guò)最高達(dá)10 MHZ的高速信號(hào)有效驅(qū)動(dòng)AD7626。