在電子系統(tǒng)設(shè)計中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的前端輸入配置是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，它直接關(guān)系到信號采集的精度、穩(wěn)定性和可靠性。ADC前端輸入配置的選擇不僅需要考慮信號的特性、系統(tǒng)的需求，還需要兼顧成本、功耗以及實現(xiàn)的復(fù)雜度。本文將深入探討ADC前端輸入配置的幾種常見方式，包括單端輸入、差分輸入、偽差分輸入以及使用運算放大器進行信號調(diào)理的配置，旨在為設(shè)計者提供全面的指導(dǎo)和建議。

?ADC前端輸入配置方式主要包括單端輸入、差分輸入和偽差分輸入，每種方式都有其適用場景和優(yōu)缺點。?

單端輸入

?單端輸入是最簡單、最直接的輸入方式?，適用于信號源為單端輸出且對噪聲抑制要求不高的場合。?單端輸入的優(yōu)點是成本低、實現(xiàn)簡單?，但缺點是容易受到共模噪聲的干擾，影響信號的采集精度。為了減小共模噪聲的影響，可以采取一些措施，如使用屏蔽電纜、在信號源和ADC之間加入濾波器等，但這些措施可能會增加系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本?。

差分輸入

?差分輸入利用兩個輸入端接收信號的正負(fù)分量，從而有效地抑制共模噪聲?。差分輸入的優(yōu)點是噪聲抑制能力強、信號動態(tài)范圍大，適用于對信號精度和穩(wěn)定性要求較高的場合。?差分輸入配置的實現(xiàn)相對復(fù)雜?，但能夠提供更高的信號質(zhì)量和穩(wěn)定性?1。差分輸入要求信號源能夠提供差分輸出，或者通過信號調(diào)理電路將單端信號轉(zhuǎn)換為差分信號?。

偽差分輸入

?偽差分輸入是一種介于單端輸入和差分輸入之間的折衷方案?。它利用一個輸入端接收信號，另一個輸入端連接到地或參考電壓，從而模擬差分輸入的效果。偽差分輸入的優(yōu)點是成本較低、實現(xiàn)相對簡單，但噪聲抑制能力介于單端輸入和差分輸入之間。偽差分輸入適用于信號源為單端輸出但對噪聲抑制有一定要求的場合。通過選擇合適的電阻和電容值，可以優(yōu)化偽差分輸入的性能，使其在滿足噪聲抑制需求的同時保持較低的成本和實現(xiàn)復(fù)雜度?。

### 一、單端輸入配置

單端輸入配置是最簡單、最直接的輸入方式，適用于信號源為單端輸出、且對噪聲抑制要求不高的場合。在這種配置中，ADC的輸入端直接連接到信號源，無需額外的信號調(diào)理電路。單端輸入的優(yōu)點是成本低、實現(xiàn)簡單，但缺點是容易受到共模噪聲的干擾，影響信號的采集精度。

為了減小共模噪聲的影響，可以采取一些措施，如使用屏蔽電纜、在信號源和ADC之間加入濾波器等。然而，這些措施可能會增加系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本。因此，在選擇單端輸入配置時，需要權(quán)衡噪聲抑制需求和系統(tǒng)設(shè)計成本之間的關(guān)系。

### 二、差分輸入配置

差分輸入配置是另一種常見的ADC前端輸入方式，它利用兩個輸入端接收信號的正負(fù)分量，從而有效地抑制共模噪聲。差分輸入的優(yōu)點是噪聲抑制能力強、信號動態(tài)范圍大，適用于對信號精度和穩(wěn)定性要求較高的場合。

在差分輸入配置中，ADC的輸入端通常設(shè)計為差分對的形式，即兩個輸入端分別接收信號的正負(fù)分量。這種配置要求信號源能夠提供差分輸出，或者通過信號調(diào)理電路將單端信號轉(zhuǎn)換為差分信號。差分輸入配置的實現(xiàn)相對復(fù)雜，但能夠提供更高的信號質(zhì)量和穩(wěn)定性。

### 三、偽差分輸入配置

偽差分輸入配置是一種介于單端輸入和差分輸入之間的折衷方案。它利用一個輸入端接收信號，另一個輸入端連接到地或參考電壓，從而模擬差分輸入的效果。偽差分輸入的優(yōu)點是成本較低、實現(xiàn)相對簡單，但噪聲抑制能力介于單端輸入和差分輸入之間。

偽差分輸入配置適用于信號源為單端輸出，但對噪聲抑制有一定要求的場合。通過選擇合適的電阻和電容值，可以優(yōu)化偽差分輸入的性能，使其在滿足噪聲抑制需求的同時，保持較低的成本和實現(xiàn)復(fù)雜度。

### 四、使用運算放大器進行信號調(diào)理的配置

在某些場合，信號源輸出的信號可能不適合直接輸入到ADC中，需要進行信號調(diào)理。運算放大器作為一種重要的信號調(diào)理元件，在ADC前端輸入配置中發(fā)揮著重要作用。通過使用運算放大器，可以實現(xiàn)信號的放大、衰減、濾波、電平轉(zhuǎn)換等功能，從而滿足ADC輸入的要求。

在使用運算放大器進行信號調(diào)理時，需要考慮運算放大器的性能參數(shù)，如增益、帶寬、噪聲、穩(wěn)定性等。選擇合適的運算放大器對于保證信號調(diào)理的效果和ADC的采集精度至關(guān)重要。此外，還需要注意運算放大器的輸入阻抗和輸出阻抗對系統(tǒng)性能的影響，以及運算放大器與ADC之間的匹配問題。

基本輸入接口考慮

采用高輸入頻率、高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的系統(tǒng)設(shè)計是一 項具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。ADC輸入接口設(shè)計有6個主要條件： 輸入阻抗、輸入驅(qū)動、帶寬、通帶平坦度、噪聲和失真。

輸入阻抗

輸入阻抗是設(shè)計的特征阻抗。ADC的內(nèi)部輸入阻抗取決于 ADC架構(gòu)的類型，ADC供應(yīng)商會在數(shù)據(jù)手冊或產(chǎn)品頁面上 提供這一數(shù)據(jù)。電壓駐波比(VWSR)與輸入阻抗密切相 關(guān)，衡量目標(biāo)帶寬內(nèi)反射到負(fù)載中的功率量。該參數(shù)設(shè)置 實現(xiàn)ADC滿量程輸入所需的輸入驅(qū)動電平，因此很重要。 當(dāng)源阻抗與負(fù)載阻抗相等時，發(fā)生最大功率傳輸

輸入驅(qū)動

輸入驅(qū)動與帶寬特性相關(guān)，可設(shè)置特定應(yīng)用所需的系統(tǒng)增 益。輸入驅(qū)動電平應(yīng)在前端設(shè)計開始之前確定，取決于所 選的前端器件，如濾波器、變壓器和放大器等。

帶寬和通帶平坦度

帶寬是系統(tǒng)要使用的頻率范圍。通帶平坦度是指定帶寬內(nèi) 的波動量;引起波動的原因可能是紋波效應(yīng)，或者是巴特 沃茲濾波器的慢速滾降特性。通帶平坦度通常小于1 dB，對 于設(shè)置整體系統(tǒng)增益至關(guān)重要。

噪聲

信噪比(SNR)和失真要求對ADC的選擇有幫助，因而一般 在設(shè)計早期確定。轉(zhuǎn)換器看到的噪聲量與其自己的噪聲量 之比即為SNR。SNR與帶寬、信號質(zhì)量(抖動)和增益相關(guān)。 提高增益也會提高與之相關(guān)的噪聲成分。

失真

失真由無雜散動態(tài)范圍(SFDR)來衡量，SFDR指rms滿量程 與峰值雜散頻譜成分的rms值之比。SFDR主要受兩個因素 的控制。第一個因素是前端平衡質(zhì)量的線性度，它主要與 二次諧波失真有關(guān)。第二個因素是所需的增益和輸入匹 配。較高的增益要求會提高匹配難度。此外，高增益要求 會壓縮ADC內(nèi)部器件的裕量，從而提高非線性度，而且由 于有更多功率經(jīng)過外部無源器件，它們的非線性度也會提 高。這種效應(yīng)一般被視為三次諧波。

變壓器耦合前端

一般說來，變壓器耦合前端能夠驅(qū)動較高中頻而無顯著損 耗，具有更寬的帶寬，功耗更低，并能提供固有的交流耦 合。多匝比率變壓器還能提供無噪聲增益。另一方面，設(shè) 計具有較高阻抗/匝數(shù)比的變壓器耦合前端可能很困難，因 為這會降低帶寬、幅度，引起相位不平衡，有時還會使通 帶紋波性能下降。 將變壓器用于ADC前端時，必須記住：任何兩個變壓器都 不會完全相同，即使其數(shù)據(jù)手冊看起來一樣。例如，1:1阻 抗比并不意味著次級端阻抗為50 Ω。要么使用數(shù)據(jù)手冊中的 回波損耗數(shù)據(jù)，要么利用ENA測量。變壓器數(shù)據(jù)手冊上的 帶寬一般應(yīng)減半使用，因為變壓器通常是在理想條件下利 用PCB提取技術(shù)測量。增益大于1:1阻抗比的變壓器，其帶 寬更低，而且更難使用。當(dāng)頻率高于150 MHz時，由于變壓 器固有的相位不平衡，HD2開始升高。為解決這個問題， 應(yīng)使用兩個變壓器，或者使用一個更好的變壓器。

有源耦合前端網(wǎng)絡(luò)

大多數(shù)有源耦合前端網(wǎng)絡(luò)使用放大器。 針對交流和直流耦合應(yīng)用選擇放大器時，應(yīng)考慮以下幾 點： ?

共模問題，工作電壓低至1 VCM ?

電源問題(輸入范圍是多少?輸出范圍是多少?) ?

某些放大器只能用于交流耦合 ?

輸出端串聯(lián)電阻使放大器保持穩(wěn)定(5 Ω至10 Ω) ?

遵守數(shù)據(jù)手冊中的布局布線指南：

消除第二層上的地以 保持低輸出電流，并且避免振蕩。