ADC測(cè)試前端設(shè)計(jì)課件

Front-EnddesignforADCtestMaraFront-EnddesignforADCtestMADC典型特征測(cè)試設(shè)置ADI高速高性能ADC典型測(cè)試設(shè)置ADC典型特征測(cè)試設(shè)置ADI高速高性能ADC典型測(cè)試設(shè)置Analoginput在進(jìn)行高性能ADC測(cè)試時(shí)，由于信號(hào)發(fā)生器的諧波性能一般沒有ADC固有線性度好，目前市面上很難找到一款性能出色地信號(hào)發(fā)生器，所以一般做法是用濾波器來濾除信號(hào)發(fā)生器存在的諧波及雜散成分。TTEfilterAnaloginput在進(jìn)行高性能ADC測(cè)試時(shí)，由于信號(hào)發(fā)Inputrange在采用Band-passfilter做濾波器時(shí)，在濾波器通帶外的信號(hào)會(huì)被衰減，包括DC。而單極性ADC的reference通常是0~VCCA,所以在濾波器后還需要CoupleDC(VCM)。AD726612bitSARADCinDC-CoupledDifferentialandSingle-EndedApplicationsInputrange在采用Band-passfilter單端信號(hào)轉(zhuǎn)差分信號(hào)采用放大器轉(zhuǎn)換采用變壓器轉(zhuǎn)換單端信號(hào)轉(zhuǎn)差分信號(hào)采用放大器轉(zhuǎn)換采用變壓器轉(zhuǎn)差分電路采用變壓器轉(zhuǎn)差分電路采用放大器轉(zhuǎn)換電路采用放大器轉(zhuǎn)換電路放大器和變壓器區(qū)別放大器是有源器件，而變壓器是無(wú)源器件。放大器和其它所有的有源器件一樣，消耗功率并且產(chǎn)生噪聲。變壓器不消耗功率并且產(chǎn)生的噪聲可以忽略不計(jì)。兩者都涉及到動(dòng)態(tài)效應(yīng)問題。放大器和變壓器區(qū)別放大器是有源器件，而變壓器是無(wú)源器件。為什么選擇放大器？放大器的性能限制比變壓器少。如果必須保持直流（DC）電平，就必須使用放大器，因?yàn)樽儔浩魇枪逃械慕涣鳎ˋC）器件。另外，如果需要，變壓器可以提供電流隔離。放大器提供增益比較容易，因?yàn)榉糯笃鞯妮敵鲎杩箤?shí)質(zhì)上與增益無(wú)關(guān)。另一方面，變壓器的輸出阻抗與電壓增益呈平方關(guān)系增加——電壓增

益取決于匝數(shù)比。放大器在通帶范圍內(nèi)提供平坦的響應(yīng)，而沒有由于變壓器寄生交互作用引起的紋波。為什么選擇放大器？放大器的性能限制比變壓器少。放大器通常產(chǎn)生的噪聲有多大？讓我們考慮一個(gè)典型的放大器，例如ADA4937。如果設(shè)置增益G＝1，那么輸出的噪聲譜密度在高頻部分是6nV/√Hz，與此頻帶可比的采樣速率為80MSPS的AD9446－8

ADC的輸入噪聲譜密度是10nV/√Hz。這里的問題是，放大器的噪聲帶寬等于ADC的全帶寬（中心頻率位于500MHz），而ADC的噪聲又必須限制在第一奈奎斯特范區(qū)（40MHz）。在沒有濾波器的情況下，放大器的噪聲有效值是155μVrms，ADC的噪聲有效值是90μV。從理論上講，總系統(tǒng)的信噪比（SNR）降低了6dB。為了從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)這一點(diǎn)，用ADA4937驅(qū)動(dòng)的AD9446-80測(cè)量的SNR結(jié)果是76dBFS,本底噪聲是－118dB(見圖1)。如果改用變壓器來驅(qū)動(dòng)AD9446-80，測(cè)量SNR結(jié)果是82dBFS。因此用放大器驅(qū)動(dòng)ADC使得SNR降低6dB。放大器通常產(chǎn)生的噪聲有多大？讓我們考慮一個(gè)典型的放大器，例如如何減少放大器的噪聲？為了提高ADC的信噪比，在放大器和ADC之間加了一個(gè)濾波器。如果使用的是一個(gè)100MHz的雙極點(diǎn)濾波器，放大器的總噪聲有效值變?yōu)?1μV，使ADC的信噪比僅降低3dB。使用雙極點(diǎn)濾波器改善了圖1電路的SNR達(dá)到79dBFS，本底噪聲為－121dB，如圖2a所示。構(gòu)建雙極點(diǎn)濾波器的方法是放大器的每個(gè)輸出引腳都串聯(lián)一個(gè)24Ω的電阻器和一個(gè)30nH的電感器并且差分連接一個(gè)47pF的電容器如何減少放大器的噪聲？為了提高ADC的信噪比，在放大器和AD在什么情況下需要使用變壓器？當(dāng)信號(hào)的頻率很高而且ADC的輸入端不允許很大的附加噪聲時(shí)，變壓器具有超越放大器的最大性能優(yōu)勢(shì)。在什么情況下需要使用變壓器？當(dāng)信號(hào)的頻率很高而且ADC的輸入變壓器和放大器在增益方面有何不同？主要的區(qū)別在于ADC的輸入阻抗，它直接影響系統(tǒng)的帶寬。變壓器的輸入阻抗和輸出阻抗與匝數(shù)比的平方有關(guān)，而放大器的輸入阻抗和輸出阻抗與增益（G）根本無(wú)關(guān)。

例如，采用一個(gè)增益G=2的變壓器，并且變壓器的輸入阻抗為50Ω，輸出阻抗為200Ω。AD9246ADC有一個(gè)4pF的差分輸入電容，它與一個(gè)200Ω輸出阻抗的變壓器相連，會(huì)使ADC的-3dB帶寬范圍從650MHz降低到200MHz。為了提高ADC的性能和減少踢回噪聲(kickbacknoise)，通常需要外接一只串聯(lián)電阻和微分電容，這樣會(huì)進(jìn)一步限制-3dB的帶寬，大概下降到100MHz。

如果使用一個(gè)低輸出阻抗的放大器，例如使用ADA4937，結(jié)果通常會(huì)提供低于5Ω的源阻抗。這樣每個(gè)ADC的輸入端可串聯(lián)一只25Ω限制瞬態(tài)電流的電阻器；這對(duì)于選用650MHz模擬輸入帶寬的AD9246，應(yīng)該是合適的。

到目前為止，我們一直在圍繞-3dB帶寬進(jìn)行討論。如果在單極點(diǎn)系統(tǒng)中需要增益起伏比較平坦，比方說0.5dB，那么需要將-3dB帶寬擴(kuò)展大約3倍。對(duì)于0.1dB平坦度，需要將-3dB帶寬擴(kuò)展6.5倍。如果需要0.5dB平坦度達(dá)到150MHz帶寬，那么它的-3dB帶寬必須大于450MHz。采用G=2的變壓器很難做到這一點(diǎn)，但是采用低輸出阻抗的放大器很容易實(shí)現(xiàn)。變壓器和放大器在增益方面有何不同？主要的區(qū)別在于ADC的輸入選擇變壓器還是放大器來驅(qū)動(dòng)ADC時(shí)，要考慮哪些因素？我們可以把這些因素歸結(jié)為6個(gè)參數(shù)，如下表所示：選擇變壓器還是放大器來驅(qū)動(dòng)ADC時(shí)，要考慮哪些因素？我們可以變壓器的重要特性是什么？變壓器有許多特性——例如電壓增益和阻抗比、帶寬和插入損耗、幅度和相位不平衡性，以及回波損耗。其它特性可能包括額定功率、配置類型（例如不平衡變壓器或變壓器）和中心點(diǎn)選項(xiàng)。使用變壓器進(jìn)行設(shè)計(jì)并不總是一帆風(fēng)順的。例如，變壓器的特性會(huì)隨著頻率變化，從而使變壓器模型復(fù)雜化。在ADC應(yīng)用中開始變壓器建模的一個(gè)例子如圖6所示。每一個(gè)參數(shù)都取決于所選用的變壓器。如果變壓器生產(chǎn)商可提供變壓器的模型，建議你與他們聯(lián)系。變壓器的重要特性是什么？變壓器有許多特性——例如電壓增益和阻變壓器的重要特性是什么？變壓器特性包括：匝數(shù)比是次級(jí)電壓與初級(jí)電壓之比。電流比與匝數(shù)比成反比。阻抗比是匝數(shù)比的平方。信號(hào)增益正好等于匝數(shù)比。盡管電壓增益無(wú)噪聲，但是要考慮其它因素——后面將會(huì)討論到。

變壓器可以簡(jiǎn)單地看作具有標(biāo)稱增益的帶通濾波器。插入損耗是濾波器在規(guī)定頻率范圍內(nèi)的損耗，雖然它是產(chǎn)品使用說明中最常見的測(cè)量技術(shù)指標(biāo)，但還要考慮其它指標(biāo)。

回波損耗是指從變壓器的初級(jí)端看次級(jí)端有效阻抗不匹配特性的一種度量。例如，如果變壓器的次級(jí)線圈與初級(jí)線圈的匝數(shù)比的平方是2:1，那么我們預(yù)期當(dāng)次級(jí)端終止的阻抗為100Ω時(shí)，反射到初級(jí)端的阻抗是50Ω。然而，實(shí)際上不是嚴(yán)格符合這種關(guān)系；例如，反射到初級(jí)的阻抗會(huì)隨著頻率變化。一般地，隨著阻抗比率增加，回波損耗的變化程度也隨著增加。

幅度失衡和相失衡是變壓器的重要特性。當(dāng)要求設(shè)計(jì)非常高的中頻時(shí)（高于100MHz），設(shè)計(jì)工程師可以通過這兩項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)預(yù)測(cè)非線性誤差的大小。隨著頻率的增高，變壓器的非線性誤差的也隨著增加，通常是相位失衡起主要影響作用，相位失衡會(huì)轉(zhuǎn)化為偶次諧波失真（主要是二次諧波）。變壓器的重要特性是什么？變壓器特性包括：選擇放大器時(shí)要考慮哪些重要參數(shù)？選用放大器代替變壓器的主要理由是為了獲得好的通帶平坦性。如果這項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)對(duì)你的設(shè)計(jì)方案來說很關(guān)鍵，那么放大器在規(guī)定頻率范圍內(nèi)的波動(dòng)會(huì)小一些，通常為±0.1dB。變壓器的頻率響應(yīng)波動(dòng)會(huì)小一些，當(dāng)必須使用變壓器時(shí)要求“精細(xì)調(diào)整”，所以平坦性是一個(gè)問題。放大器的驅(qū)動(dòng)能力是它的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)。變壓器不能驅(qū)動(dòng)PCB板上很長(zhǎng)的印制線。變壓器用來直接連接到ADC。如果系統(tǒng)要求把驅(qū)動(dòng)器或耦合器安裝在遠(yuǎn)離ADC處，或者另外一塊PCB板上，那么我們強(qiáng)烈推薦使用放大器。

直流耦合特性也是使用放大器的一個(gè)原因，因?yàn)樽儔浩魇枪逃械慕涣黢詈掀骷?。如果直流頻段在應(yīng)用中很重要，可選擇放大器，因?yàn)橛行└哳l放大器可以耦合一直到直流的頻率?？蛇x的典型放大器包括AD8138和ADA4937。

放大器還可以提供動(dòng)態(tài)隔離（大約為30dB～40dB的反向隔離）以抑制無(wú)緩沖ADC輸入端的瞬態(tài)電流產(chǎn)生的尖峰毛刺。

如果設(shè)計(jì)要求為ADC的模擬輸入提供寬帶增益，那么放大器會(huì)提供優(yōu)于變壓器的匹配。另外要考慮帶寬與噪聲的折衷。如果采用的頻率高于150MHz，變壓器在保持SNR和SFDR方面會(huì)做得更好一些。然而，如果工作在第一奈奎斯特區(qū)或第二奈奎斯特區(qū)，那么變壓器或放大器都可以使用。選擇放大器時(shí)要考慮哪些重要參數(shù)？選用放大器代替變壓器的主要理ADIDriverAmplifiersforSARADCs

Single-EndADIDriverAmplifiersforSARADIDriverAmplifiersforSARADCs

DifferentialADIDriverAmplifiersforSARADIFront-EnddesignexampleReference輸入端加bufferReference通過電阻分壓提供VCM=REF/2ADC輸入端加bufferADC輸入端設(shè)計(jì)RC低通濾波ADIFront-EnddesignexampleReExample-AD7985Example-AD7985ExampleAD7944/AD7985/AD7986ExampleAD7944/AD7985/AD7986ExampleAD7944/AD7985/AD7986ExampleAD7944/AD7985/AD7986RCfilterdesign雙擊打開RCfilterdesign雙擊打開Example16bitpulSARAD7988-5Reference&VCM5V5VExample16bitpulSARAD7988-5Example16bitpulSARAD7988-5Offset=2.5VADCdrivesExample16bitpulSARAD7988-5ADA4841-1ADA4841-1/ADA4841-2是單位增益穩(wěn)定、低噪聲、低失真、軌到軌輸出放大器，靜態(tài)電流最大值為1.5mA。這些放大器不僅功耗低，還提供2.1nV/Hz的低寬帶電壓噪聲性能和1.4pA/Hz的電流噪聲，100kHz時(shí)具有極佳的-105dBc無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)。為了在更低頻率下保持低噪聲環(huán)境，10Hz時(shí)放大器具有7nV/Hz和13pA/Hz的低1/f噪聲。ADA4841-1/ADA4841-2的輸出擺幅可達(dá)每供電軌的50mV以下，輸入共模電壓范圍擴(kuò)展至負(fù)電源電壓，可以最小峰值驅(qū)動(dòng)高達(dá)10pF的容性負(fù)載。它們提供有效支持最新16位至18位ADC所需的性能，是便攜式儀器儀表、高通道數(shù)、工業(yè)測(cè)量和醫(yī)療應(yīng)用的理想選擇，適合驅(qū)動(dòng)16位PulSARADCAD7685/AD7686。ADA4841-1ADA4841-1/ADA4841-2是Band-passfilteroutput5VppAgilent81150+100KHzBand-passfilteroutputwaveform81150:Vpp=7.8Voffset=0VFilteroutput:Vpp=4.767Voffset=0VBand-passfilteroutput5VppADC-coupledVCM=2.5VAfterDC-coupledcircuit,AD7988inputVpp=3.877Voffset=2.5VDC-coupledVCM=2.5VAfterDCResultSNR=87.399dBTHD=-90.83dBSNDR=85.752dBREF=5VResultSNR=87.399dBREF=5VBand-passfilteroutput3.3VppAgilent81150+100KHzBand-passfilteroutputwaveform81150:Vpp=5Voffset=0VFilteroutput:Vpp=3.13Voffset=0VBand-passfilteroutput3.3VpDC-coupledVCM=1.65VAfterDC-coupledcircuit,AD7988inputVpp=2.577Voffset=1.64VDC-coupledVCM=1.65V