全差分驅(qū)動(dòng)器開啟高速ADC的高性能應(yīng)用之門

采用高速ADC的設(shè)計(jì)師所面臨的最大挑戰(zhàn)之一就是找到一個(gè)適合于驅(qū)動(dòng)ADC的放大器。直到最近，ADC驅(qū)動(dòng)器的選擇還一直受限。通常射頻放大器為單端，體積大、功耗高，而且需要一個(gè)5-12V的電源。最近，業(yè)界開發(fā)出了全差分放大器，但它們中很多都是被優(yōu)化用于窄輸入信號(hào)帶寬，需要一個(gè)高電壓電源，或者需要約束ADC的速度、噪聲和/或失真性能。由凌力爾特公司開發(fā)的新放大器系列能幫助工程師實(shí)現(xiàn)ADC的性能，同時(shí)簡(jiǎn)化高頻電路板的設(shè)計(jì)。

高速+高性能+低電壓電源

LTC6?00-20和LTC6?01-20為該高速全差分放大器家族的首批成員，工作電源為3V或3.3V，具有優(yōu)異的性能。這兩款器件都具有20dB的內(nèi)部固定增益，具有高速、低噪聲和低失真以及低功耗特點(diǎn)。采用的是先進(jìn)的互補(bǔ)雙極硅鍺工藝。由于鍺原子比硅原子大，在硅工藝中有選擇地加入一些鍺會(huì)在材料的晶體結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生應(yīng)力。實(shí)際上這種應(yīng)力將導(dǎo)致好的電特性，例如更高的遷移率和更精密的基區(qū)寬度控制，可以制作速度更高的晶體管。LTC6?00-20的-3dB帶寬為1.8GHz，而壓擺率達(dá)到4500V/us，所耗電流僅僅80mA。LTC6?01-20僅以一半的功率實(shí)現(xiàn)大約LTC6?00-20速度的2/3。圖1給出了輸出信號(hào)為2Vpp時(shí)，LTC6?00-20在不同頻率上的互調(diào)失真性能。LTC6?00在140MHz能獲得90dBc失真,而在幾百M(fèi)Hz的頻率下能獲得-70dBc的失真。

ADC驅(qū)動(dòng)器的另一個(gè)關(guān)鍵性能是貢獻(xiàn)的噪聲要小。LTC6?00基于一個(gè)差分運(yùn)算放大器，輸入噪聲密度很低，為1nV/√Hz。內(nèi)部100Ω的差分輸入電阻不可避免地會(huì)增加一定噪聲，產(chǎn)生2.1nV/√Hz的總輸入?yún)⒖荚肼暶芏?。另一個(gè)*判噪聲的方法是根據(jù)信噪比。LTC6?00-20輸出噪聲密度為21nV/√Hz(因?yàn)樵鲆鏋?0dB或10V/V)。如果把信號(hào)帶寬限制到50MHz，噪聲總和為148μVRMS。相對(duì)于2VP-P滿量程信號(hào)來說，允許73.5dB的信噪比。這與LTC2249這類的14位通用ADC相匹配。

圖1：LTC6?00的三階互調(diào)失真與頻率的關(guān)系圖。

集成帶來高性能

圖2為L(zhǎng)TC6?00的框圖。LTC6?00-20和LTC6?01-20的設(shè)計(jì)思想是容易使用。除了放大器外，還集成了幾個(gè)其他功能，包括增益設(shè)定電阻、輸出信號(hào)濾波以及輸出共模電路。所有功能都封裝在一個(gè)3x3mm的16引腳的QFN封裝里。這種集成帶來了以下幾個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)。

圖2: LTC6?00的功能框圖。

最為顯著的是減少了外部元器件數(shù)量，電阻器和電容器較少意味著占位面積小，且令人頭疼的問題也少。

通過集成高度匹配的增益設(shè)定電阻，提供了精密的增益，因而穩(wěn)定度得到改善。穩(wěn)定度改善的原因是將敏感的反饋環(huán)路內(nèi)置到芯片封裝里。電路板上的反饋環(huán)路的布線所引起的寄生電容會(huì)產(chǎn)生寄生極(parasitic pole)。而且，將輸入和輸出端引出來的感性連接線移出敏感的反饋環(huán)路。

由于增益是已知的并且是內(nèi)部固定的，放大器在盡可能寬的帶寬上具有最大的平坦度，群延遲變化也最小。為了實(shí)現(xiàn)特定的增益設(shè)置，可以調(diào)整內(nèi)部補(bǔ)償，從而使速度、功率和失真性能達(dá)到最佳。

提供兩路差分輸出—濾波輸出和未濾波輸出。片上濾波器是一個(gè)專門設(shè)計(jì)的單極點(diǎn)RC濾波器，用來簡(jiǎn)化高速管線和SAR ADC所呈現(xiàn)的容性負(fù)載的驅(qū)動(dòng)。拐點(diǎn)頻率(corner frequency)的調(diào)整很容易，只需增加幾個(gè)外部元件。

輸出共模引腳允許ADC采用相同的參考地，以便設(shè)置ADC驅(qū)動(dòng)器的輸出信號(hào)電平。當(dāng)輸入采用AC耦合時(shí)，輸入共模電壓被自動(dòng)偏置到與VOCM引腳上的電壓相近的電平。LTC6?00-20在I/O耦合方面非常靈活，輸入和輸出端都可以利用AC或DC耦合。

應(yīng)用實(shí)例

圖3給出了一個(gè)典型應(yīng)用實(shí)例，即利用LTC6?00來驅(qū)動(dòng)LTC2208 16位130MSPS ADC。本例中，輸入信號(hào)為單端，通過一個(gè)隔直流電容加到LTC6?00的+IN輸入端。當(dāng)然，輸入信號(hào)也可以直流耦合，只要直流電壓位于放大器的輸入共模范圍內(nèi)。從圖2中不難發(fā)現(xiàn)，LTC6?00-20的差分輸入阻抗為200Ω。利用一個(gè)66.5Ω的電阻使得總輸入阻抗為50Ω，從而可以與50Ω的源阻抗匹配。(在其他情況下，源阻抗可能是200Ω，則需要一個(gè)1：4的變壓器。)-IN輸入端接了一個(gè)29Ω的電阻，目的是為內(nèi)部運(yùn)算放大器提供端口平衡。LTC6?00-20的輸出經(jīng)過一個(gè)10Ω的串聯(lián)電阻，直接連接到ADC的輸入端。

圖3：LTC6?00和LTC2208應(yīng)用實(shí)例。

LTC6?00與ADC共享同一個(gè)3.3V的電源。LTC6?00利用3V或3.3V的電源供電，即可將ADC驅(qū)動(dòng)到滿量程并實(shí)現(xiàn)高性能。而以前的解決方案中，要想將ADC驅(qū)動(dòng)到輸入范圍的滿量程，并提供高性能，則需要電壓為5V的電源甚至更高。

LTC220x家族的ADC在輸入擺幅以1.25V的共模電壓為中心時(shí)工作最佳。而LTC6?00使此變得很容易：將ADC的VCM引腳簡(jiǎn)單地連接到LTC6?00的VOCM引腳上，放大器的內(nèi)部共模反饋環(huán)路確保了輸出以VOCM電壓為中心。其他的ADC首選采用1.5V電壓，但接口都一樣。

本文小結(jié)

如今亞微米工藝使得高速ADC獲得很多性能優(yōu)勢(shì)。但是，在奈奎斯特采樣或欠采樣時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)最高功效，需要一個(gè)高性能的全差分放大器來驅(qū)動(dòng)。LTC6?00通過結(jié)合SiGe工藝和創(chuàng)新設(shè)計(jì)，在高頻率段提供了不錯(cuò)的性能，同時(shí)還能采用3V或3.3V的低電源電壓。芯片采用3x3mm的無引腳封裝，所需的外部元器件數(shù)量少，從而使得該驅(qū)動(dòng)器可以直接放到ADC的輸入端，可以實(shí)現(xiàn)高性能和緊湊的PCB設(shè)計(jì)。差分輸出被優(yōu)化，從而可以直接實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的高速ADC的驅(qū)動(dòng)，具有高線性度，輸入噪聲低，因而適合用于像通信接收系統(tǒng)和高速測(cè)試系統(tǒng)等類的高性能應(yīng)用。