ADC驅(qū)動(dòng)器或差分放大器設(shè)計(jì)指南

具有偏移型輸入共模范圍的驅(qū)動(dòng)器一般最適合工作在單電源直流耦合系統(tǒng)中，這是因?yàn)檩敵龉材ｋ妷和ㄟ^(guò)反饋環(huán)路實(shí)現(xiàn)了分壓，而且它的可變分量可以非常接近地，即負(fù)電壓軌。當(dāng)采用單端輸入時(shí)，輸入共模電壓由于輸入相關(guān)的紋波而更接近負(fù)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(jí)電路，因?yàn)楦挥喽仍黾恿恕?p class="body">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(dòng)器輸入級(jí)電路類型。然而，這些選擇未必總是最好的，應(yīng)該對(duì)每個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行具體分析。

輸出擺幅
為了最大化ADC的動(dòng)態(tài)范圍，應(yīng)該將它驅(qū)動(dòng)到滿輸入范圍。但需要注意：將ADC驅(qū)動(dòng)得太厲害可能有損輸入電路，而驅(qū)動(dòng)不夠的話又會(huì)降低分辨率。將ADC驅(qū)動(dòng)到滿輸入范圍并不意味著放大器輸出幅度必須達(dá)到最大。差分輸出的一個(gè)主要好處是每個(gè)輸出幅度只需達(dá)到傳統(tǒng)單端輸出的一半。驅(qū)動(dòng)器輸出可以遠(yuǎn)離電源軌，從而減少失真。不過(guò)對(duì)單端驅(qū)動(dòng)器來(lái)說(shuō)沒(méi)有這個(gè)好處。當(dāng)驅(qū)動(dòng)器輸出電壓接近電壓軌時(shí)，放大器將損失線性度，并引入失真。

對(duì)于對(duì)每一毫伏的輸出電壓都有要求的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，表1顯示相當(dāng)多的ADC驅(qū)動(dòng)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(fù)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(gè)軌1.2V內(nèi)(富余量)確定的。輸出擺幅是信號(hào)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(kāi)始迅速增加。在低端，失真在2.2V(-1 VPEAK)時(shí)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(jī)噪聲和諧波失真。在大多數(shù)應(yīng)用中重要的一點(diǎn)是，噪聲通常是寬帶系統(tǒng)中最重要的性能指標(biāo)。

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?yàn)榧词?ldquo;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(jī)噪聲和諧波失真的基準(zhǔn)。ADC驅(qū)動(dòng)器的輸出噪聲應(yīng)該接近或低于ADC的隨機(jī)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(dòng)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(wú)限分辨率的模擬信號(hào)量化成有限數(shù)量的離散值。n位ADC有2n個(gè)二進(jìn)制值。兩個(gè)相鄰值之間的差代表了可以分辨的最小差值，這個(gè)差值被稱為量化等級(jí)的最低有效位(LSB)，或q。因此一個(gè)量化等級(jí)等于轉(zhuǎn)換器量程的1/2n。如果一個(gè)不斷變化的電壓經(jīng)過(guò)一個(gè)完美的n位ADC轉(zhuǎn)換，然后轉(zhuǎn)換回模擬信號(hào)，再?gòu)腁DC輸入中減去這個(gè)信號(hào)，那么差值看起來(lái)就像噪聲。它有一個(gè)公式21計(jì)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(hào)與量化噪聲比的對(duì)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(jī)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(huì)在輸出信號(hào)中產(chǎn)生與輸入信號(hào)諧波有關(guān)的有害信號(hào)?？偟闹C波失真和噪聲(THD+N)是一個(gè)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(hào)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(gè)諧波頻率。THD中的“T”(ttotal，總和)包括了前五個(gè)諧波失真分量，是連同噪聲一起的和的平方根，見(jiàn)公式23。

(22)

(23)

公式23中的v1是輸入信號(hào)，v2到v6是前五個(gè)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(hào)與噪聲失真比，簡(jiǎn)稱SINAD，通常用dB表示，見(jiàn)公式24。

(24)

如果SINAD被信號(hào)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(gè)轉(zhuǎn)換器的信號(hào)與量化噪聲比與SINAD相同(公式25)。

(25)

ENOB也能用SINAD項(xiàng)表達(dá)，見(jiàn)公式26。

(26)

ENOB可以用來(lái)比較ADC驅(qū)動(dòng)器的噪聲性能和ADC的噪聲性能，進(jìn)而判斷是否適合驅(qū)動(dòng)這個(gè)ADC。圖14是一個(gè)差分ADC噪聲模型。公式27表明了通常情況下當(dāng)β1=β2≡β時(shí)，八個(gè)噪聲源中每個(gè)源對(duì)總輸出噪聲密度的貢獻(xiàn)。

圖14：差分ADC驅(qū)動(dòng)器的噪聲模型。

公式27表明了通常情況下當(dāng)β1=β2≡β時(shí)，八個(gè)噪聲源中每個(gè)源對(duì)總輸出噪聲密度的貢獻(xiàn)。

(27)