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高速差分ADC驱动器设计指南(二)

模拟电路 | 发布时间:2017-12-11 | 人气: | #评论# | 本文关键字:ADC,驱动器,差分ADC驱动器
摘要:我们经常遇到各种有关差分输入型高速模数转换器(ADC)的驱动问题,本文假设实际驱动ADC的电路—也被称为ADC驱动器或差分放大器—能够处理高速信号。

噪声:ADC的非理想特性包括量化噪声、电子或随机噪声和谐波失真。在大多数应用中重要的一点是,噪声通常是宽带系统中最重要的性能指标。所有ADC内部都存在量化噪声,并且取决于位数nn越大量化噪声就越小。因为即使"理想"转换器也有量化 噪声,因此量化噪声可以用作比较随机噪声和谐波失真的基准。ADC驱动器的输出噪声应该接近或低于ADC的随机噪声和失真。下面先讨论 ADC噪声和失真的特征,然后介绍如何衡量ADC驱动器噪声与ADC性能之间的关系。

量化噪声产生的原因是ADC将具有无限分辨率的模拟信号量化成有限数量的离散值。n位ADC有2n个二进制值。两个相邻值之间的差代 表了可以分辨的最小差值,这个差值被称为量化等级的最低有效位(LSB),或q。因此一个量化等级等于转换器量程的1/2n。如果一个不 断变化的电压经过一个完美的n位ADC转换,然后转换回模拟信号,再从ADC输入中减去这个信号,那么差值看起来就像噪声。它有一个 公式21计算所得有效值(rms):

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ADC中的随机噪声 包含了热噪声、散粒噪声和闪烁噪声,一般要大于量化噪声。由于ADC的非线性产生的 谐波失真会在输出信号中产生 与输入信号谐波有关的有害信号。 总的谐波失真和噪声 (THD + N)是一个重要的ADC性能参数,它衡量了电子噪声和谐波失真与接近ADC满 量程输入范围的模拟输入信号之间的关系。电子噪声积分的带宽包括了所要考虑的最后一个谐波频率。THD中的"T"(ttotal,总和)包括了前五个谐波失真分量,是连同噪声一起的和的平方根,见公式23。从这里可以得出n位ADC在其奈奎斯待带宽上的信号与量化噪声比的对数(dB)公式22,这也是n位转换器所能取得的最佳信噪比(SNR)。

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 (22)
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 (23)

公式23中的v1是输入信号,v2v6是前五个谐波失真分量, vn是ADC的电子噪声。

T HD+噪声)的倒数被称为信号与噪声失真比,简称SINAD,通常用dB表示,见公式24。

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 (24)

如果SINAD被信号与量化噪声比代替(公式22),我们就能定义转换器具有的有效位数(ENOB),前提是这个转换器的信号与量化噪声比与SINAD相同(公式25)。

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 (25)

ENOB也能用SINAD项表达,见公式26。

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 (26)

ENOB可以用来比较ADC驱动器的噪声性能和ADC的噪声性能,进而判断是否适合驱动这个ADC。图14是一个差分ADC噪声模型。

差分ADC驱动器的噪声模型
图 14:差分ADC驱动器的噪声模型


公式27表明了通常情况下当 β1 = β2 ≡ β时,八个噪声源中每个源对总输出噪声密度的贡献。

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 (27)

总输出噪声电压密度vnodm是通过计算这些分量的和平方根得到的。将这些公式输入电子表格是计算总输出噪声电压密度的最好方式。 ADI公司网站上还新推出了ADI差分放大器计算器(参考文献3),用它能快速计算噪声、增益和差分ADC驱动器的其它参数值。

现在可以将ADC驱动器的噪声性能与ADC的ENOB作一比较。描述这一过程的例子是为采用5V电源工作的 AD9445 ADC选择和评估一款增益为2、2V 满量程输入的差分驱动器。它能处理用一个单极点滤波器限制、占用50M H z(-3d B)带宽的直接耦合宽带信号。从数据手册中记载的各种条件下的 ENOB参数列表中可以发现:对应50MHz的奈奎斯特带宽,ENOB=12位。

ADA4939 是一款能够被直接耦合的高性能宽带差分ADC驱动器。在 噪声性能方面它是驱动AD9445的合适产品吗?A DA4939数据手册针对近似为2的差分增益推荐的RF=402Ω、RG=200Ω,数据手册给出的 这种情况下的总输出电压噪声密度为9.7nV/Hz。

首先计算给定恒定输入噪声功率谱密度下的系统噪声带宽BN,它是输出与决定系统带宽的实际滤波器相同噪声功率的等效矩形低通滤波器的带宽。对于一个单极滤波,BN等于π/2乘以3dB带宽,如公式28所示。

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 (28)

然后在系统带宽的平方根内对噪声密度进行积分,得到输出噪声有效值(公式29)。

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 (29)

假定噪声幅度呈高斯分布,那么峰峰值噪声的计算可以使用常见的±3σ门限(在99.7%的时间内噪声电压摆幅位于这些门限之间),见公式30:

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 (30)

现在可以在12位ENOB、2V满量程输入范围基础上对驱动器的峰峰输出噪声和AD9445 LSB的1 LSB电压进行比较,其中LSB的计算见公式31。

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 (31)

相对于12位ENOB,驱动器的峰峰输出噪声与ADC的LSB具有可比性。因此从噪声角度看,A DA4939驱动器非常适合这种应用。最终还必须通过搭建和测试驱动器/ADC组合作出决定。

电源电压

考虑电源电压和电流是缩小ADC驱动器选择范围的快速途径。表1提供了不同电源电压下ADC驱动器性能的快速查找表。电源电压会影响带宽、信号摆幅和ICMVR 。衡量这些指标并进行反复权衡对差分放大器的选择而言至关重要。

电源抑制 (PSR)是另外一个重要的参数。作为放大器输入的电源引脚的作用经常被人忽视。电源线上或耦合进电源线的任何噪声对输出信号都有潜在的破坏作用。

考虑ADA4937-1的电源线上存在60MHz、50mVp-p的噪声这样一个例子。它的PSR在50MHz时是-70dB,这意味着电源线上的噪声在放大器 输出端将被减少到约16μV。在1V满量程输入的16位系统中,1 LSB是15.3μV,因此电源线上的这个噪声将"淹没"LSB。

这种情况可以通过增加串联表贴铁氧体磁珠L1/ L 2和并联旁路电容C1/C2(图15)加以改进。

电源旁路电路

图 15:电源旁路电路


在50MHz时,磁珠的阻抗是60Ω,10nF(0.01μF)电容的阻抗是0.32Ω,由这两种元件组成的衰减器可以提供45.5dB的衰减(公式32)

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 (32)

上述分压式衰减加上-70d B的PSR总共可提供115d B的抑制效果,因而可将噪声减小到远低于1 LSB的90nVp-p左右。

责任编辑:John Ardizzoni 和 Jo
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