使用差分放大器驅(qū)動模數(shù)轉(zhuǎn)換器

高速差分放大器讓包含高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的信號鏈設(shè)計更加靈活。差分運放能提供包括增益，阻抗變換和單端到差分轉(zhuǎn)換等的信號調(diào)理功能。

ADC一般是固定增益的器件，當(dāng)輸入信號幅值小于滿量程的輸入范圍的時候性能最好。對幅值不足一個最低有效位LSB的信號進行量化時會引入失真。同樣對幅值超過滿量程的信號也會引入失真。  很多ADC會被輕微的過驅(qū)動損壞。CLC5526是一個可變增益的差分放大器，當(dāng)驅(qū)動高速ADC的時候能提供給信號增益或者衰減。  它在微控制器的控制下能額外獲得42dB的動態(tài)范圍。對于要求低失真，固定增益和直流耦合的應(yīng)用，LMH6550是理想的選擇。  類似LMH6550的差分放大器能選擇精確的共模工作點。LMH6550和CLC5526都能提供驅(qū)動類似ADC12DL065的CMOS模數(shù)轉(zhuǎn)換器所需要的低阻抗和高度靈活的驅(qū)動能力。

當(dāng)選擇驅(qū)動ADC的運放時，最重要的是先定義系統(tǒng)需求。關(guān)鍵要考慮的參數(shù)包括帶寬，失真,平衡誤差和建立時間。對于寬帶信號，失真通常是決定因素。另一方面，對于窄帶信號，帶寬將會決定選擇，因為失真可以通過DSP消除。 窄帶信號特征是相互調(diào)制與諧波失真落在帶外的信號，而對寬帶信號這些將落在帶內(nèi)。接下來我們將更詳細討論如何根據(jù)信號和ADC的特性來選擇器件。

首先我們來回顧一下ADC基礎(chǔ)知識。作為一個混合信號器件，ADC包括模擬和數(shù)字電路。ADC的數(shù)字部分工作在時鐘采樣頻率下，在一個特定的應(yīng)用中，該頻率通常是固定的。  該采樣頻率決定了很多關(guān)鍵的參數(shù)，后面會做詳細討論。當(dāng)對信號進行量化的時候，ADC受到Nyquist理論的約束。Nyquist理論表明采樣頻率至少要兩倍于信號的最高頻率。否則最終會導(dǎo)致“混疊”信號的生成。對ADC來說，混疊信號表現(xiàn)的并非是它真正的頻率。混疊信號可能不是所需要的，在系統(tǒng)設(shè)計中必須加以考慮。圖1通過在頻域中的采樣結(jié)果演示了混疊現(xiàn)象。根據(jù)應(yīng)用的不同，混疊信號頻率可能比需要的信號高或者低。模擬濾波以及選擇合適的采樣與信號頻率能消除由于混疊導(dǎo)致的失真。

圖1  Nyquist采樣。顯示出多個諧波分量落回到Nyquist頻段內(nèi)。LMH6550驅(qū)動ADC12L080，采樣頻率=64MHz，信號頻率=9.8MHz。 

Nyquist采樣

經(jīng)典的也可能是大家最熟悉的模數(shù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用就是Nyquist應(yīng)用。在這個例子里，信號包括從直流到ADC采樣頻率一半的所有頻率成分。Nyquist理論規(guī)定，信號必須被至少大于信號最高頻率兩倍的采樣頻率量化(并不適用于調(diào)制信號的載波，僅僅指信號中實際包含信息的部分)，以數(shù)字化電話語音信號為例，需要的信號頻率從300Hz 到3kHz，所以ADC的采樣頻率至少要6KHz. 在美國，電話轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號時使用8KHz的采樣率和8比特的分辨率。雖然Nyquist采樣是保證ADC正確操作的最低要求，但是抗混疊濾波器對于保證系統(tǒng)性能仍然十分重要。

同樣，Nyquist 采樣也給驅(qū)動放大器提出了嚴格的要求。  放大器至少在采樣頻率的1/2處有0.1dB的帶寬。在采樣頻率的1/2處，放大器和ADC必須有相近的失真和噪聲特性。如果放大器用做有源濾波器時，-3dB帶寬應(yīng)該接近采樣頻率的兩倍。對于Nyquist采樣 總體上來說，放大器和ADC在采樣頻率的一半及更低的頻率上應(yīng)該都有相近的性能參數(shù)。固定增益的放大器，例如LMH6550對于直流耦合信號就是一個理想選擇。對于50MHz以下的寬帶信號，需要提供緩沖，較小的固定增益和高信號純度時非常適用。LMH6550同時也可以代替變壓器完成從單端到差分信號的轉(zhuǎn)換。

過采樣

快速發(fā)展的ADC技術(shù)給信號鏈設(shè)計者提供了更多的選擇?，F(xiàn)在的ADC能夠以遠超過信號帶寬所需要的時鐘工作。這種方法被稱為過采樣。

過采樣一個關(guān)鍵的好處是其后的數(shù)字濾波過程。從信號的上限頻率到二分之一采樣頻率的區(qū)域都能進行數(shù)字處理。數(shù)字濾波器具有易調(diào)整，精確度高的特點。并且很容易和其他的數(shù)字處理集成，例如下變頻和解調(diào)。數(shù)字濾波器能夠消除幾乎所有的ADC帶外噪聲。由數(shù)字濾波器提高的信噪比也被稱為處理增益。  處理增益通常使用dB為單位，為濾波后的信噪比和濾波前的信噪比的比值。但是DSP并不能消除信號帶寬內(nèi)的噪聲。仔細選擇增益設(shè)置與反饋電阻有助于將放大器引入的噪聲限制到最小的范圍。    

欠采樣

欠采樣方式工作的ADC類似于模擬混頻器。非線性混頻是項很早的技術(shù)，在外差與超外差接收器中很流行。

欠采樣通常用在過采樣結(jié)構(gòu)中，此時信號帶寬比二分之一的采樣頻率要低很多。  仔細選擇合適的中頻頻率和采樣頻率能夠讓ADC后的DSP消除大多數(shù)由模擬信號鏈引入的噪聲以及由ADC產(chǎn)生的失真。這同過采樣中描述的益處相同。這點非常重要，因為同在二分之一采樣頻率和信號帶寬的濾波器相比，在較高的載波頻率上的抗混疊濾波器需要更高的Q值。如果沒有過采樣，欠采樣也是不切實際的。

圖2是LMH6550驅(qū)動ADC12L080的欠采樣轉(zhuǎn)換結(jié)果，可在窄寬內(nèi)提高無寄生頻率的動態(tài)范圍。演示系統(tǒng)的SFDR僅僅有32dB。然而，從10MHz 到28MHz的帶寬內(nèi)很清楚的發(fā)現(xiàn)SFDR有65dB，如果帶寬更窄的話SFDR能夠提高到80dB以上。在GSM系統(tǒng)中僅僅需要200kHz的帶寬。一個位于放大器和ADC間的簡單的兩階LC濾波器就能濾除H2，H3和驅(qū)動放大器產(chǎn)生的噪聲。數(shù)字信號處理能消除大部分失真。運放特性和關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。

圖2  LMH6550 驅(qū)動 ADC12L080欠采樣轉(zhuǎn)換結(jié)果。信號頻率146MHz。采樣頻率64MHz。Fs/2 * 4=128MHz  146-128=18MHz 

輸入匹配

模數(shù)轉(zhuǎn)換器的負載總是難以設(shè)計。  通常情況下都有高輸入阻抗和較大而且可變的容抗。同時，開關(guān)電容或者采樣保持電路會產(chǎn)生電流尖峰。這些原因?qū)е翧DC輸入很難匹配，必須使用放大器。差分放大器的輸出級能消除電流尖峰同時為精確采樣提供低阻抗源。圖3中是驅(qū)動ADC的典型電路。兩個56 Ω 的電阻用來隔離ADC的容性負載和放大器來確保穩(wěn)定。同時，這些電阻也是低通濾波器的一部分，用來提供抗混疊濾波和削弱噪聲的功能。兩個39pF的電容用來消除由于ADC內(nèi)部開關(guān)電路引起的電流尖峰，同時也是ADC輸入的低通濾波器的關(guān)鍵部件。在圖3的電路中，濾波器的截止頻率是1/ (2*p*56W *(39 pF + 14pF))=53MHz(比采樣頻率略低)。注意ADC的輸入電容在計算濾波器頻率響應(yīng)的時候必須要考慮，如果是差分輸入的話有效輸入電容的值要加倍。同時，正如在圖3中顯示的，許多ADC的輸入電容是ADC轉(zhuǎn)換過程(采樣保持電路)的一部分。

圖3  驅(qū)動ADC。LMH6550驅(qū)動ADC12LO66 

和所有的高速電路一樣，電路板布局很關(guān)鍵。放大器和ADC應(yīng)該盡可能的靠近。  放大器和ADC都要求濾波器件緊靠放置。放大器要求輸出導(dǎo)線上的寄生負載盡可能低，ADC對輸入導(dǎo)線上可能耦合的高頻噪聲也很敏感。另外，ADC的數(shù)字輸出應(yīng)該和ADC以及放大器的輸入做良好的隔離。放大器和ADC的輸入管腳不應(yīng)該放置在電源或者地平面上。  電源旁路電容應(yīng)該滿足低ESR而且放在距相關(guān)管腳2mm范圍內(nèi)。如果有必要，使用多過孔也是不錯的主意。

共模反饋

共模反饋電路的主要優(yōu)點就在于差分放大器能夠精確設(shè)置輸出的共模電壓值。對大多數(shù)ADC來說，必須將共模電壓設(shè)定在一個特定的值以獲得完整的動態(tài)范圍。理論上一個差分放大器只會放大差分信號，輸出的共模部分能夠獨立設(shè)置，對增益和差分輸出信號沒有影響。類似LMH6550的放大器有一個高阻抗輸入的共模電壓輸出緩沖器。這樣就允許放大器使用大多數(shù)ADC輸出的參考電壓，同時對ADC的參考電壓產(chǎn)生電路不會有太大的負載效應(yīng)。

另一個共模反饋電路的優(yōu)點是用放大器從一個單端的源產(chǎn)生完全差分的信號。同時它也平衡了在一個理想的共模電壓點上兩個差分的輸出級。

圖4  單電源供電工作和直流工作點

需要重點注意的是，共模反饋電路看上去類似于一個單位增益緩沖器，作為輸入腳和輸出共模電壓間的緩沖。等式Vocm = (V+out + V-out)/2 表明了相對于輸出共模電壓來說，兩個輸出有相同的幅度和相反的相位。圖4顯示了單電源供電工作典型結(jié)構(gòu)并且給出了計算共模反饋網(wǎng)絡(luò)效果的公式。在這個例子中，Vcm是共模反饋緩沖器的輸入。Vocm 是輸出的共模電壓，或者叫共模反饋緩沖器的輸出。當(dāng)使用單端電源供電的差分放大器時，輸入共模電壓工作點將不再是系統(tǒng)設(shè)計的主要限制因素。單端電源供電將會限制增益和輸出共模電壓的設(shè)定范圍。