ADC驅(qū)動器或差分放大器設計匯總

總輸出噪聲電壓密度vno, dm是通過計算這些分量的和平方根得到的。將這些公式輸入電子表格是計算總輸出噪聲電壓密度的最好方式。ADI公司網(wǎng)站上還新推出了ADI差分放大器計算器(參考文獻3)，用它能快速計算噪聲、增益和差分ADC驅(qū)動器的其它參數(shù)值。

現(xiàn)在可以將ADC驅(qū)動器的噪聲性能與ADC的ENOB作一比較。描述這一過程的例子是為采用5V電源工作的AD9445 ADC選擇和評估一款增益為2、2V滿量程輸入的差分驅(qū)動器。它能處理用一個單極點濾波器限制、占用50MHz(-3dB)帶寬的直接耦合寬帶信號。從數(shù)據(jù)手冊中記載的各種條件下的ENOB參數(shù)列表中可以發(fā)現(xiàn)：對應50MHz的奈奎斯特帶寬，ENOB=12位。

ADA4939 是一款能夠被直接耦合的高性能寬帶差分ADC驅(qū)動器。在噪聲性能方面它是驅(qū)動AD9445的合適產(chǎn)品嗎？ADA4939數(shù)據(jù)手冊針對近似為2的差分增益推薦的RF =402Ω、RG=200Ω，數(shù)據(jù)手冊給出的這種情況下的總輸出電壓噪聲密度為9.7nV/Hz。首先計算給定恒定輸入噪聲功率譜密度下的系統(tǒng)噪聲帶寬BN，它是輸出與決定系統(tǒng)帶寬的實際濾波器相同噪聲功率的等效矩形低通濾波器的帶寬。對于一個單極濾波器，BN等于π/2乘以3dB帶寬，如公式28所示。

(28)

然后在系統(tǒng)帶寬的平方根內(nèi)對噪聲密度進行積分，得到輸出噪聲有效值(公式29)。

(29)

假定噪聲幅度呈高斯分布，那么峰峰值噪聲的計算可以使用常見的±3σ門限(在99.7%的時間內(nèi)噪聲電壓擺幅位于這些門限之間)，見公式30：

(30)

現(xiàn)在可以在12位ENOB、2V滿量程輸入范圍基礎上對驅(qū)動器的峰峰輸出噪聲和AD9445 LSB的1 LSB電壓進行比較，其中LSB的計算見公式31。

(31)

相對于12位ENOB，驅(qū)動器的峰峰輸出噪聲與ADC的LSB具有可比性。因此從噪聲角度看，ADA4939驅(qū)動器非常適合這種應用。最終還必須通過搭建和測試驅(qū)動器/ADC組合作出決定。

電源電壓
考慮電源電壓和電流是縮小ADC驅(qū)動器選擇范圍的快速途徑。表1提供了不同電源電壓下ADC驅(qū)動器性能的快速查找表。電源電壓會影響帶寬、信號擺幅和ICMVR。衡量這些指標并進行反復權(quán)衡對差分放大器的選擇而言至關(guān)重要。

電源抑制(PSR)是另外一個重要的參數(shù)。作為放大器輸入的電源引腳的作用經(jīng)常被人忽視。電源線上或耦合進電源線的任何噪聲對輸出信號都有潛在的破壞作用。

考慮ADA4937-1的電源線上存在60MHz、50mVp-p的噪聲這樣一個例子。它的PSR在50MHz時是-70dB，這意味著電源線上的噪聲在放大器輸出端將被減少到約16μV。在1V滿量程輸入的16位系統(tǒng)中，1 LSB是15.3μV，因此電源線上的這個噪聲將“淹沒”LSB。

這種情況可以通過增加串聯(lián)表貼鐵氧體磁珠L1/L2和并聯(lián)旁路電容C1/C2(圖15)加以改進。

圖15：電源旁路電路。

在50MHz時，磁珠的阻抗是60Ω，10nF(0.01μF)電容的阻抗是0.32Ω，由這兩種元件組成的衰減器可以提供45.5dB的衰減(公式32)。

(32)

上述分壓式衰減加上-70dB的PSR總共可提供115dB的抑制效果，因而可將噪聲減小到遠低于1 LSB的90nVp-p左右。

諧波失真
頻域中的低諧波失真在窄帶和寬帶系統(tǒng)中都很重要。驅(qū)動器中的非線性會在放大器輸出端產(chǎn)生單頻諧波失真和多頻互調(diào)失真。

在噪聲分析例子中使用的方法可以同樣應用于失真分析，即對ADA4939的諧波失真與2V滿量程輸出時AD9445 12位ENOB的1 LSB進行比較。一個ENOB LSB在噪聲分析中代表488μV。

ADA4939參數(shù)表中的失真數(shù)據(jù)是在增益為2時給出的值，通過這張表可以直觀地比較各個頻率點的二次和三次諧波失真。表3就是增益為2、差分輸出擺幅為2Vp-p時的諧波失真數(shù)據(jù)。

表3：ADA4939的二次和三次諧波失真。

這些數(shù)據(jù)表明，諧波失真隨頻率增加而增加，并且在感興趣帶寬(50MHz)內(nèi)二次諧波失真要比三次諧波失真糟糕。在比感興趣頻率更高的頻率點的諧波失真值較高，因此它們的幅度可能被系統(tǒng)頻帶限制功能所降低。如果系統(tǒng)有一個50MHz的磚墻式濾波器，那么就只需要考慮超過25MHz的頻率點，因為更高頻率的所有諧波將被濾波器濾除。盡管如此，我們還是要評估頻率最高為50MHz的系統(tǒng)，因為目前的所有濾波器對諧波的抑制可能都不夠，失真分量可能混疊回信號帶寬內(nèi)。圖16給出了ADA4939在各種電源電壓和2Vp-p輸出時的諧波失真與頻率的關(guān)系。

圖16：諧波失真與頻率的關(guān)系。