高速ADC的無緩沖式架構(gòu)選擇
如今,高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的種類和供應商眾多,要選擇一款合適的產(chǎn)品可能并非易事。當您縮小搜索范圍后,最終的抉擇往往是選取緩沖型還是無緩沖型(開關(guān)電容)轉(zhuǎn)換器。尺寸和功耗受限的應用通常傾向于無緩沖型。無論做何選擇,都可以找到許多相關(guān)的文章,提醒您注意模擬輸入接口問題,特別是在較高的中頻頻率下。
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/187249.htm在信號鏈中使用ADC的根本目的,是在設(shè)計中以及最終在系統(tǒng)層次上實現(xiàn)最佳的動態(tài)范圍、噪聲特性(信噪比或SNR)和線性度(無雜散動態(tài)范圍或SFDR)。本文首先將闡述緩沖型與無緩沖型ADC的區(qū)別(優(yōu)缺點),然后討論原始無緩沖ADC內(nèi)部采樣網(wǎng)絡的反沖(一般稱為“電荷注入”),以及如何驅(qū)動無緩沖型ADC。最后,本文將說明構(gòu)建適當抗混疊濾波器(AAF)所需的特殊模擬輸入接口設(shè)計要求,并給出一個范例。
我是否需要使用無緩沖型ADC?
緩沖型與無緩沖型ADC之間存在很大差異。緩沖型的優(yōu)點比較直觀,緩沖器將模擬接口電路與內(nèi)部開關(guān)電容采樣工作隔離開來,這就為ADC驅(qū)動器提供一個受控的輸入阻抗,瞬態(tài)效應(一般稱為“反沖”)大大減弱。反沖或電荷注入是指當ADC的內(nèi)部采樣開關(guān)斷開和閉合時,殘余電荷被送回到輸入信號中。
緩沖器帶來的這些好處可以在一定程度上簡化模擬接口設(shè)計,并且支持更高的輸入帶寬。然而,緩沖器的缺點也是存在的,盡管不太明顯。緩沖器通常需要較高的電源電壓,這會帶來額外的電源設(shè)計問題。ADC的噪聲和線性度也會受到影響,因此在電源方面,整體ADC設(shè)計大受影響。
在系統(tǒng)層次上,多數(shù)高速ADC的輸入采用放大器驅(qū)動。因此,在常見的信號鏈應用中,緩沖器的電源有點多余。如果模擬接口電路和放大器設(shè)置為直接驅(qū)動采樣網(wǎng)絡,而不使用緩沖器,則整個系統(tǒng)可以得到更好的優(yōu)化。問題是如何處理提供給驅(qū)動器電路的原始采樣電容的電荷(反沖)。
去掉緩沖器是多數(shù)系統(tǒng)設(shè)計師傾向做出的妥協(xié),因為可以額外節(jié)省功耗,但這樣一來,設(shè)計師必須面對一個棘手的任務——在轉(zhuǎn)換器與放大器之間提供一個可以實現(xiàn)的模擬接口。不用怕,因為即使無緩沖型轉(zhuǎn)換器的阻抗隨著采樣狀態(tài)(跟蹤模式與保持模式)和中頻頻率而變化,但該設(shè)計在最終應用中仍將有效。您只需在利用無緩沖型ADC進行設(shè)計時,認真遵守一些注意事項。
了解抗混疊問題
ADC是信號鏈中的一項值得注意的模擬功能。無論所選ADC是緩沖型還是無緩沖型,驅(qū)動放大器與轉(zhuǎn)換器之間都需要一個適當?shù)腁AF設(shè)計,用以降低寬帶噪聲和雜散。相比于傳統(tǒng)線性模塊(如混頻器和放大器等),ADC具有一些非常獨特的特性,其中之一是混疊。
混疊是指所有頻率成分“折疊”到基帶或第一奈奎斯特區(qū)。如果在所需信號帶寬(目標奈奎斯特區(qū))外有不需要的雜散和噪聲,混疊就會造成問題。為此,一般會在ADC輸入端之前使用一個抗混疊濾波器。驅(qū)動放大器、抗混疊濾波器和ADC內(nèi)部的采樣網(wǎng)絡構(gòu)成一個緊密交織的系統(tǒng),可以對其進行優(yōu)化以有效滿足大多數(shù)應用的要求,您只需要知道一些訣竅就能成功。
第一步是確定抗混疊濾波器的要求,包括阻帶抑制曲線和通帶紋波要求。這些要求一般由帶外成分決定,必須防止帶外成分混疊到目標頻段內(nèi)。目標是確定可以實現(xiàn)并且仍能滿足要求的最小濾波器階數(shù),使元件數(shù)量最少,整體系統(tǒng)復雜度最低。為便于討論,假設(shè)使用無源LC濾波器。
一旦確定濾波器后,下一步便是設(shè)置模擬接口的阻抗。較低的阻抗對ADC有利,因為它給采樣網(wǎng)絡帶來的驅(qū)動阻抗較低,但不利于驅(qū)動放大器。這一點在設(shè)計中很關(guān)鍵。多數(shù)驅(qū)動放大器設(shè)置為驅(qū)動大約75 Ω的阻抗(單端),這是AAF設(shè)計的一個良好開端。
無論何種階數(shù)或類型,LC濾波器在ADC輸入端應有一個并聯(lián)電容,此電容對濾波器與ADC的接口至關(guān)重要。該并聯(lián)電容充當?shù)谝痪彌_器,緩沖來自無緩沖型ADC的反沖電荷。電容越大,則對電荷反沖的抑制越好,ADC驅(qū)動性能也就越高。記住,可以在AAF中調(diào)整阻抗,以優(yōu)化ADC性能和/或放大器性能。
影響LC濾波器驅(qū)動無緩沖開關(guān)電容高速ADC的另一個因素是濾波器的輸出阻抗Q。濾波器驅(qū)動ADC的采樣網(wǎng)絡,所以,該輸出阻抗是ADC驅(qū)動阻抗的一部分。如果濾波器驅(qū)動網(wǎng)絡的Q太高,則ADC內(nèi)部采樣網(wǎng)絡的電荷反沖會在模擬輸入端引起響鈴振蕩。這種振蕩如果沒有在一個時鐘周期內(nèi)消失,就會造成額外的失真。
多數(shù)ADC模擬接口設(shè)計實際上是集總元件網(wǎng)絡,而不是匹配系統(tǒng)。這種“中頻片”成為“匹配”與集總元件分析——轉(zhuǎn)換器的“可用”帶寬、并聯(lián)電容要求、去Q、波長和走線長度限制——之間的過渡。了解這些變量后,我們將有多種不同的AAF權(quán)衡和設(shè)計方法可以考慮。
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