LTC2387-18正弦信號(hào)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)要求

簡(jiǎn)介

LTC2387-18是一款高速SAR（逐次逼近寄存器）ADC，適用于高線(xiàn)性度，低噪聲應(yīng)用。該ADC能夠以高達(dá)15Msps的速率進(jìn)行采樣，從而可以轉(zhuǎn)換頻率為幾MHz的信號(hào)。它非常適合在此頻率范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換脈沖和連續(xù)信號(hào)。本文將討論對(duì)設(shè)計(jì)用于向ADC提供連續(xù)正弦信號(hào)的驅(qū)動(dòng)器的需求。噪聲性能使得1MHz音調(diào)將產(chǎn)生超過(guò)96dBFS的SNR。該音調(diào)的總諧波失真通常超過(guò)-100dB。要將ADC驅(qū)動(dòng)至滿(mǎn)量程，需要8.192V pk-pk的差分輸入信號(hào)。

許多傳感器和信號(hào)源不會(huì)產(chǎn)生這么大的電壓擺幅，或者無(wú)法驅(qū)動(dòng)相對(duì)較低的輸入阻抗的ADC。緩沖電路最適合解決這些問(wèn)題，但它們必須非常線(xiàn)性，并且對(duì)信號(hào)的噪聲很小。通常，緩沖電路必須向源提供阻抗，該阻抗不會(huì)過(guò)度加載，并提供電壓增益。如果整個(gè)電路要接近ADC滿(mǎn)足的規(guī)格，運(yùn)算放大器，無(wú)論是單端還是差分，必須具有非常高的性能。

緩沖電路概述

如果差分輸入信號(hào)可用，緩沖電路將執(zhí)行三個(gè)功能。首先，使用少量輸入低通濾波來(lái)限制到達(dá)放大器的噪聲頻譜。然后緩沖信號(hào)，通常每側(cè)有一個(gè)運(yùn)算放大器。在某些情況下，緩沖器包括一些電壓增益。這樣可以減輕信號(hào)源的驅(qū)動(dòng)要求，但會(huì)降低信噪比，因?yàn)檫@種增益可以放大來(lái)自信號(hào)源的噪聲。最后，信號(hào)在傳遞到ADC之前再次進(jìn)行低通濾波。該功能由RC濾波器提供，進(jìn)一步限制了到達(dá)ADC輸入的寬帶噪聲。濾波器還在濾波電容器之前提供一些串聯(lián)電阻，這使放大器具有較低的無(wú)功負(fù)載阻抗。電容用作來(lái)自ADC輸入電路的采樣瞬變的電荷儲(chǔ)存器。這減小了放大器輸出端的采樣電荷脈沖的大小。但是，如果電容太大，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)將不會(huì)在采樣時(shí)刻之間完全穩(wěn)定下來(lái)。在某些情況下，差分輸入信號(hào)不可用。然后緩沖電路必須執(zhí)行從單端緩沖電路獲得差分信號(hào)的附加功能。

基本緩沖電路

用于驅(qū)動(dòng)LTC2387-18的基本緩沖電路如下圖1所示。

放大器工作在+ 7.5V / -2.5V電源軌。輸入電路在31MHz附近提供低通極點(diǎn)，假設(shè)源阻抗為25Ω。較大的源阻抗值會(huì)降低此極點(diǎn)頻率。串聯(lián)電阻還滿(mǎn)足單位增益配置中ADA4899-1輸入端所需的25Ω。每個(gè)放大器輸出一個(gè)25Ω串聯(lián)電阻。由這些電阻形成的低通部分與82pF電容一起產(chǎn)生接近77MHz的極點(diǎn)。這些電容器盡可能大，不會(huì)降低網(wǎng)絡(luò)的建立時(shí)間。該電路非常簡(jiǎn)單，對(duì)客戶(hù)信號(hào)源提供高負(fù)載阻抗。但是，它不提供電壓增益。它還僅適用于直流耦合信號(hào);輸入信號(hào)的直流電平必須接近2.048V。該電路在300KHz至2.2MHz范圍內(nèi)的性能數(shù)據(jù)如下圖2所示。

單端輸入信號(hào)緩沖電路

如果差分輸入信號(hào)不可用，則可以修改緩沖電路以接受單端輸入信號(hào)。圖3所示的原理圖就是一個(gè)例子。

該電路使用Vcm處的精密基準(zhǔn)電壓來(lái)建立兩個(gè)輸出的共模電壓。這允許使用AC耦合輸入，但是為噪聲進(jìn)入創(chuàng)建了一個(gè)途徑。在單位增益配置中，如圖3所示，參考電壓端口的任何噪聲或雜散信號(hào)在一對(duì)一增益的基礎(chǔ)上表現(xiàn)為輸出的差分干擾。為該端口選擇的參考電壓必須盡可能安靜，并在將其應(yīng)用于運(yùn)算放大器的同相端之前進(jìn)行嚴(yán)格濾波。反相放大器周?chē)拇?lián)和反饋電阻也會(huì)給輸出帶來(lái)寬帶噪聲。最大限度地減小這些電阻的大小對(duì)于降低這種影響至關(guān)重要。即使經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，參考電阻和電阻的影響也相當(dāng)大，并且這種配置的SNR比真正的差分緩沖電路低幾dB。單端緩沖電路的性能數(shù)據(jù)如圖4所示。

具有吸收濾波器電路的緩沖器

簡(jiǎn)單緩沖電路輸出端使用的濾波器僅由一個(gè)串聯(lián)電阻和一個(gè)并聯(lián)電容組成。這種濾波器的選擇性很差，并且在轉(zhuǎn)角頻率附近呈現(xiàn)給放大器的阻抗很低。濾波器部分的輸入阻抗非常高，并且在通帶內(nèi)隨頻率快速變化。這種類(lèi)型的濾波器通過(guò)反射而不是吸收來(lái)抑制帶外信號(hào)。具有更多極點(diǎn)和吸收元件的濾波器可以提供更好的負(fù)載阻抗以及更多的帶外抑制。這種濾波器的一個(gè)例子如圖5所示。

該濾波器在大部分通帶內(nèi)的負(fù)載阻抗為300Ω，在1MHz時(shí)降至150Ω。 3dB角接近9MHz，提供比簡(jiǎn)單RC濾波器窄得多的通帶。吸收式驅(qū)動(dòng)板使用圖5中的濾波器的差分版本來(lái)提供更好的SNR。簡(jiǎn)化原理圖如下圖6所示。

該電路可輕松配置為提供電壓增益;圖7顯示了電壓增益為4的示例。

兩個(gè)電路的性能數(shù)據(jù)如下圖8所示。

反饋放大器+吸收濾波器

到目前為止提供的電路非常簡(jiǎn)單，使用運(yùn)算放大器，然后是低通濾波器。還評(píng)估了一種更復(fù)雜的方法，該方法采用局部和全局反饋來(lái)改善放大器的線(xiàn)性度。主放大器是LTC6404，它是一種低噪聲，低失真差分放大器。此放大器之后是兩個(gè)AD8002電流反饋運(yùn)算放大器。這些運(yùn)算放大器有兩個(gè)用途。首先，它們提供的電壓增益為4，可將LTC6404的2V峰峰值輸出電壓擺幅轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)ADC達(dá)到滿(mǎn)量程所需的8V峰峰值擺幅。此外，這些運(yùn)算放大器是電流反饋器件，這意味著它們提供更高的壓擺率和更低的輸出阻抗。這兩個(gè)屬性都非常適合通過(guò)前面描述的吸收式低通濾波器驅(qū)動(dòng)ADC輸入。

此電路的性能數(shù)據(jù)如下圖10所示。

此處提供的電路和數(shù)據(jù)顯示，有些情況下可能會(huì)因電路復(fù)雜性或失真而改善SNR ， 例如。請(qǐng)注意，此處提供的數(shù)據(jù)是使用單個(gè)DC2290A演示板進(jìn)行的，由緩沖電路的獨(dú)立演示板驅(qū)動(dòng)。