ADC驅(qū)動器或差分放大器設計匯總

具有偏移型輸入共模范圍的驅(qū)動器一般最適合工作在單電源直流耦合系統(tǒng)中，這是因為輸出共模電壓通過反饋環(huán)路實現(xiàn)了分壓，而且它的可變分量可以非常接近地，即負電壓軌。當采用單端輸入時，輸入共模電壓由于輸入相關(guān)的紋波而更接近負電壓軌。

采用雙電源、單端或差分輸入以及交流或直流耦合的系統(tǒng)通?？梢圆捎萌我环N輸入級電路，因為富余度增加了。

表2總結(jié)了在輸入耦合和電源的各種組合方式下最常用的ADC驅(qū)動器輸入級電路類型。然而，這些選擇未必總是最好的，應該對每個系統(tǒng)進行具體分析。

輸出擺幅
為了最大化ADC的動態(tài)范圍，應該將它驅(qū)動到滿輸入范圍。但需要注意：將ADC驅(qū)動得太厲害可能有損輸入電路，而驅(qū)動不夠的話又會降低分辨率。將ADC驅(qū)動到滿輸入范圍并不意味著放大器輸出幅度必須達到最大。差分輸出的一個主要好處是每個輸出幅度只需達到傳統(tǒng)單端輸出的一半。驅(qū)動器輸出可以遠離電源軌，從而減少失真。不過對單端驅(qū)動器來說沒有這個好處。當驅(qū)動器輸出電壓接近電壓軌時，放大器將損失線性度，并引入失真。

對于對每一毫伏的輸出電壓都有要求的應用來說，表1顯示相當多的ADC驅(qū)動器能夠提供軌到軌輸出，其典型富余量從幾毫伏到幾百毫伏不等，具體取決于負載。

圖13：采用5V電源的ADA4932在各種頻率下的諧波失真與VOCM的關(guān)系。

圖13是ADA4932在各種頻率下的諧波失真與VOCM的關(guān)系圖，是典型輸出擺幅在每個軌1.2V內(nèi)(富余量)確定的。輸出擺幅是信號的VOCM與VPEAK之和(1V)。值得注意的是，失真在2.8V以上(3.8 VPEAK或5V往下1.2V)開始迅速增加。在低端，失真在2.2V(-1 VPEAK)時仍很低。同樣的現(xiàn)象還將出現(xiàn)在帶寬和壓擺率的討論中。

噪聲
ADC的非理想特性包括量化噪聲、電子或隨機噪聲和諧波失真。在大多數(shù)應用中重要的一點是，噪聲通常是寬帶系統(tǒng)中最重要的性能指標。

所有ADC內(nèi)部都存在量化噪聲，并且取決于位數(shù)n，n越大量化噪聲就越小。因為即使“理想”轉(zhuǎn)換器也有量化噪聲，因此量化噪聲可以用作比較隨機噪聲和諧波失真的基準。ADC驅(qū)動器的輸出噪聲應該接近或低于ADC的隨機噪聲和失真。下面先討論ADC噪聲和失真的特征，然后介紹如何衡量ADC驅(qū)動器噪聲與ADC性能之間的關(guān)系。

量化噪聲產(chǎn)生的原因是ADC將具有無限分辨率的模擬信號量化成有限數(shù)量的離散值。n位ADC有2n個二進制值。兩個相鄰值之間的差代表了可以分辨的最小差值，這個差值被稱為量化等級的最低有效位(LSB)，或q。因此一個量化等級等于轉(zhuǎn)換器量程的1/2n。如果一個不斷變化的電壓經(jīng)過一個完美的n位ADC轉(zhuǎn)換，然后轉(zhuǎn)換回模擬信號，再從ADC輸入中減去這個信號，那么差值看起來就像噪聲。它有一個公式21計算所得有效值(rms)：

(21)

從這里可以得出n位ADC在其奈奎斯待帶寬上的信號與量化噪聲比的對數(shù)(dB)公式22，這也是n位轉(zhuǎn)換器所能取得的最佳信噪比(SNR)。

ADC中的隨機噪聲包含了熱噪聲、散粒噪聲和閃爍噪聲，一般要大于量化噪聲。由于ADC的非線性產(chǎn)生的諧波失真會在輸出信號中產(chǎn)生與輸入信號諧波有關(guān)的有害信號?？偟闹C波失真和噪聲(THD+N)是一個重要的ADC性能參數(shù)，它衡量了電子噪聲和諧波失真與接近ADC滿量程輸入范圍的模擬輸入信號之間的關(guān)系。電子噪聲積分的帶寬包括了所要考慮的最后一個諧波頻率。THD中的“T”(ttotal，總和)包括了前五個諧波失真分量，是連同噪聲一起的和的平方根，見公式23。

(22)

(23)

公式23中的v1是輸入信號，v2到v6是前五個諧波失真分量，vn是ADC的電子噪聲。(THD+噪聲)的倒數(shù)被稱為信號與噪聲失真比，簡稱SINAD，通常用dB表示，見公式24。

(24)

如果SINAD被信號與量化噪聲比代替(公式22)，我們就能定義轉(zhuǎn)換器具有的有效位數(shù)(ENOB)，前提是這個轉(zhuǎn)換器的信號與量化噪聲比與SINAD相同(公式25)。

(25)

ENOB也能用SINAD項表達，見公式26。

(26)

ENOB可以用來比較ADC驅(qū)動器的噪聲性能和ADC的噪聲性能，進而判斷是否適合驅(qū)動這個ADC。圖14是一個差分ADC噪聲模型。公式27表明了通常情況下當β1=β2≡β時，八個噪聲源中每個源對總輸出噪聲密度的貢獻。

圖14：差分ADC驅(qū)動器的噪聲模型。

公式27表明了通常情況下當β1=β2≡β時，八個噪聲源中每個源對總輸出噪聲密度的貢獻。

(27)