ADC信號(hào)鏈中放大器噪聲對(duì)總噪聲的貢獻(xiàn)

簡(jiǎn)介

當(dāng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的模擬輸入被驅(qū)動(dòng)至額定滿量程輸入電壓時(shí)，ADC提供最佳性能。但在許多應(yīng)用中，最大可用信號(hào)與額定電壓不同，可能需要調(diào)整。用于滿足這一要求的器件之一是可變?cè)鲆?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/放大器">放大器(VGA)。了解VGA如何影響ADC的性能，將有助于優(yōu)化整個(gè)信號(hào)鏈的性能。

本文分析一個(gè)采用雙通道16位、125/105/80 MSPS、流水線ADC AD9268和超低失真中頻VGA AD8375 的電路中的噪聲。信號(hào)鏈包括一個(gè)VGA(在+6 dB增益設(shè)置下使用)、一個(gè)五階巴特沃茲低通濾波器(–3 dB滾降頻率為100 MHz)和ADC。本文將給出放大器和濾波器的噪聲計(jì)算，因?yàn)檫@些噪聲決定ADC在目標(biāo)頻段內(nèi)的動(dòng)態(tài)性能。

問(wèn)題

許多采用高速ADC的實(shí)際應(yīng)用都需要某種驅(qū)動(dòng)器、放大器或增益模塊，用以將輸入信號(hào)縮放到滿量程模擬輸入范圍1，確保獲得最佳 信噪比 (SNR)和無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)。此外，差分放大器也可以將單端信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)ADC。這些器件都是有源器件，因而會(huì)增加ADC前端的噪聲。此噪聲在工作帶寬內(nèi)的積分會(huì)降低轉(zhuǎn)換性能。模擬輸入范圍

輸入頻率/帶寬

所需分辨率/SNR

所需SFDR

某些應(yīng)用同時(shí)要求高動(dòng)態(tài)范圍和高分辨率。AD9268在70 MHz中頻提供78.2 dBFS(dB相對(duì)于滿量程)的SNR和88 dBc的SFDR，非常適合此類應(yīng)用。

在系統(tǒng)層面，ADC前端可以使用放大器、變壓器或巴倫，但使用放大器的實(shí)現(xiàn)方案最為常見(jiàn)。使用放大器的原因可以是下面的一條或幾條：

為輸入信號(hào)提供增益以提高ADC分辨率。

緩沖或變換輸入源與ADC之間的阻抗。

將單端輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分輸出信號(hào)。

AD8375 VGA可以用來(lái)將單端信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)，同時(shí)它能在不同增益設(shè)置下保持高線性度和一致的噪聲性能。這些特性使它成為在較高中頻下驅(qū)動(dòng)ADC的上好選擇。糟糕的是，信號(hào)鏈中的有源器件(即放大器)，可能會(huì)限制ADC的性能。

示例

圖1給出了噪聲計(jì)算所用的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。AD8375具有高阻抗差分輸出(16 kΩ||0.8 pF)。放大器通過(guò)一個(gè)五階低通抗混疊濾波器(AAF)與ADC接口，該AAF具有100 MHz帶寬和150 Ω輸入/輸出阻抗。圖1所示電路的頻率響應(yīng)如圖2所示。

圖1. AD8375、AAF和AD9268信號(hào)鏈

圖2. AD8375、AAF和AD9268信號(hào)鏈的頻率響應(yīng)

性能

系統(tǒng)設(shè)計(jì)師不會(huì)期望驅(qū)動(dòng)ADC輸入端的放大器降低系統(tǒng)的總體動(dòng)態(tài)性能，但針對(duì)某一應(yīng)用選擇的驅(qū)動(dòng)器和ADC組合，并不意味著它能在另一應(yīng)用中提供同樣出色的性能。利用本文所述技術(shù)，系統(tǒng)工程師可以在選擇放大器之前估計(jì)預(yù)期的性能。

圖3顯示了兩種不同的設(shè)置。圖3(a)利用無(wú)源耦合連接轉(zhuǎn)換器，是客戶評(píng)估板的默認(rèn)選項(xiàng)。無(wú)源前端網(wǎng)絡(luò)利用變壓器或巴倫，以及一個(gè)滾降頻率約為200 MHz的無(wú)源低通濾波器，將單端信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)。圖3(b)顯示的可選放大器路徑。這兩種設(shè)置貢獻(xiàn)的噪聲比較如下。利用低中頻(10 MHz)時(shí)的單音快速傅里葉變換(FFT)來(lái)計(jì)算放大器增加的噪聲。

圖3. 典型ADC前端：(a) 無(wú)源;(b) 有源

噪聲分析通常使用兩種技術(shù)，但每種技術(shù)都很麻煩。噪聲譜密度(NSD)定義單位帶寬的噪聲功率。對(duì)于ADC，其單位為均方dBm/Hz或dBFS/Hz;對(duì)于放大器，其單位為均方根nV/√Hz。用放大器驅(qū)動(dòng)ADC時(shí)，這種單位的不一致性構(gòu)成系統(tǒng)噪聲計(jì)算的障礙。

噪聲系數(shù)(NF)是輸入SNR與輸出SNR的對(duì)數(shù)比，用dB表示。這一特性通常為RF工程師所用，在純RF環(huán)境下很有意義，但在帶ADC的信號(hào)鏈中使用NF計(jì)算，可能會(huì)導(dǎo)致令人誤解的結(jié)果。

另一種更有效的技術(shù)是對(duì)噪聲密度進(jìn)行“反歸一化”處理，將其表示為均方根噪聲電壓，而不是均方電壓。這種方法直截了當(dāng)，能夠?qū)ο到y(tǒng)噪聲進(jìn)行清晰的分析，下面將予以說(shuō)明。

圖4和圖5分別顯示這兩個(gè)前端的低頻單音FFT。注意，無(wú)源前端的SNR為77.7-dBFS，而有源前端的SNR為72.5-dBFS，比ADC的預(yù)期性能低5.2 dBFS。

圖4. 圖3a電路10 MHz模擬輸入音的FFT