ADC驅(qū)動(dòng)器或差分放大器設(shè)計(jì)指南

總輸出噪聲電壓密度vno, dm是通過計(jì)算這些分量的和平方根得到的。將這些公式輸入電子表格是計(jì)算總輸出噪聲電壓密度的最好方式。ADI公司網(wǎng)站上還新推出了ADI差分放大器計(jì)算器(參考文獻(xiàn)3)，用它能快速計(jì)算噪聲、增益和差分ADC驅(qū)動(dòng)器的其它參數(shù)值。

現(xiàn)在可以將ADC驅(qū)動(dòng)器的噪聲性能與ADC的ENOB作一比較。描述這一過程的例子是為采用5V電源工作的AD9445 ADC選擇和評(píng)估一款增益為2、2V滿量程輸入的差分驅(qū)動(dòng)器。它能處理用一個(gè)單極點(diǎn)濾波器限制、占用50MHz(-3dB)帶寬的直接耦合寬帶信號(hào)。從數(shù)據(jù)手冊(cè)中記載的各種條件下的ENOB參數(shù)列表中可以發(fā)現(xiàn)：對(duì)應(yīng)50MHz的奈奎斯特帶寬，ENOB=12位。

ADA4939 是一款能夠被直接耦合的高性能寬帶差分ADC驅(qū)動(dòng)器。在噪聲性能方面它是驅(qū)動(dòng)AD9445的合適產(chǎn)品嗎？ADA4939數(shù)據(jù)手冊(cè)針對(duì)近似為2的差分增益推薦的RF =402Ω、RG=200Ω，數(shù)據(jù)手冊(cè)給出的這種情況下的總輸出電壓噪聲密度為9.7nV/Hz。首先計(jì)算給定恒定輸入噪聲功率譜密度下的系統(tǒng)噪聲帶寬BN，它是輸出與決定系統(tǒng)帶寬的實(shí)際濾波器相同噪聲功率的等效矩形低通濾波器的帶寬。對(duì)于一個(gè)單極濾波器，BN等于π/2乘以3dB帶寬，如公式28所示。

(28)

然后在系統(tǒng)帶寬的平方根內(nèi)對(duì)噪聲密度進(jìn)行積分，得到輸出噪聲有效值(公式29)。

(29)

假定噪聲幅度呈高斯分布，那么峰峰值噪聲的計(jì)算可以使用常見的±3σ門限(在99.7%的時(shí)間內(nèi)噪聲電壓擺幅位于這些門限之間)，見公式30：

(30)

現(xiàn)在可以在12位ENOB、2V滿量程輸入范圍基礎(chǔ)上對(duì)驅(qū)動(dòng)器的峰峰輸出噪聲和AD9445 LSB的1 LSB電壓進(jìn)行比較，其中LSB的計(jì)算見公式31。

(31)

相對(duì)于12位ENOB，驅(qū)動(dòng)器的峰峰輸出噪聲與ADC的LSB具有可比性。因此從噪聲角度看，ADA4939驅(qū)動(dòng)器非常適合這種應(yīng)用。最終還必須通過搭建和測(cè)試驅(qū)動(dòng)器/ADC組合作出決定。

電源電壓
考慮電源電壓和電流是縮小ADC驅(qū)動(dòng)器選擇范圍的快速途徑。表1提供了不同電源電壓下ADC驅(qū)動(dòng)器性能的快速查找表。電源電壓會(huì)影響帶寬、信號(hào)擺幅和ICMVR。衡量這些指標(biāo)并進(jìn)行反復(fù)權(quán)衡對(duì)差分放大器的選擇而言至關(guān)重要。

電源抑制(PSR)是另外一個(gè)重要的參數(shù)。作為放大器輸入的電源引腳的作用經(jīng)常被人忽視。電源線上或耦合進(jìn)電源線的任何噪聲對(duì)輸出信號(hào)都有潛在的破壞作用。

考慮ADA4937-1的電源線上存在60MHz、50mVp-p的噪聲這樣一個(gè)例子。它的PSR在50MHz時(shí)是-70dB，這意味著電源線上的噪聲在放大器輸出端將被減少到約16μV。在1V滿量程輸入的16位系統(tǒng)中，1 LSB是15.3μV，因此電源線上的這個(gè)噪聲將“淹沒”LSB。

這種情況可以通過增加串聯(lián)表貼鐵氧體磁珠L(zhǎng)1/L2和并聯(lián)旁路電容C1/C2(圖15)加以改進(jìn)。

圖15：電源旁路電路。

在50MHz時(shí)，磁珠的阻抗是60Ω，10nF(0.01μF)電容的阻抗是0.32Ω，由這兩種元件組成的衰減器可以提供45.5dB的衰減(公式32)。

(32)

上述分壓式衰減加上-70dB的PSR總共可提供115dB的抑制效果，因而可將噪聲減小到遠(yuǎn)低于1 LSB的90nVp-p左右。

諧波失真
頻域中的低諧波失真在窄帶和寬帶系統(tǒng)中都很重要。驅(qū)動(dòng)器中的非線性會(huì)在放大器輸出端產(chǎn)生單頻諧波失真和多頻互調(diào)失真。

在噪聲分析例子中使用的方法可以同樣應(yīng)用于失真分析，即對(duì)ADA4939的諧波失真與2V滿量程輸出時(shí)AD9445 12位ENOB的1 LSB進(jìn)行比較。一個(gè)ENOB LSB在噪聲分析中代表488μV。

ADA4939參數(shù)表中的失真數(shù)據(jù)是在增益為2時(shí)給出的值，通過這張表可以直觀地比較各個(gè)頻率點(diǎn)的二次和三次諧波失真。表3就是增益為2、差分輸出擺幅為2Vp-p時(shí)的諧波失真數(shù)據(jù)。

表3：ADA4939的二次和三次諧波失真。

這些數(shù)據(jù)表明，諧波失真隨頻率增加而增加，并且在感興趣帶寬(50MHz)內(nèi)二次諧波失真要比三次諧波失真糟糕。在比感興趣頻率更高的頻率點(diǎn)的諧波失真值較高，因此它們的幅度可能被系統(tǒng)頻帶限制功能所降低。如果系統(tǒng)有一個(gè)50MHz的磚墻式濾波器，那么就只需要考慮超過25MHz的頻率點(diǎn)，因?yàn)楦哳l率的所有諧波將被濾波器濾除。盡管如此，我們還是要評(píng)估頻率最高為50MHz的系統(tǒng)，因?yàn)槟壳暗乃袨V波器對(duì)諧波的抑制可能都不夠，失真分量可能混疊回信號(hào)帶寬內(nèi)。圖16給出了ADA4939在各種電源電壓和2Vp-p輸出時(shí)的諧波失真與頻率的關(guān)系。

圖16：諧波失真與頻率的關(guān)系。