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差分輸入ADC特性

目前許多高性能ADC設(shè)計(jì)均采用差分輸入。全差分ADC設(shè)計(jì)具有共模抑制性能出色、二階失真產(chǎn)物較少、直流調(diào)整算法簡單的優(yōu)點(diǎn)。盡管可以單端驅(qū)動(dòng)，但全差分驅(qū)動(dòng)器通常可以優(yōu)化整體性能。

差分輸入ADC的一種最普通的驅(qū)動(dòng)方法是使用變壓器。不過，因?yàn)樵S多應(yīng)用中頻率響應(yīng)必須延伸至直流，從而無法使用變壓器來驅(qū)動(dòng)。這類情況就需要使用差分驅(qū)動(dòng)器。本教程重點(diǎn)介紹如何驅(qū)動(dòng)高達(dá)10 MSPS采樣速率的高分辨率16至18位ADC.輸入信號(hào)帶寬一般限于數(shù)MHz.MT-075教程闡述適用于驅(qū)動(dòng)更高速ADC的差分放大器。

大多數(shù)高性能CMOS開關(guān)電容流水線式ADC的差分輸入均類似于圖1.

圖1:典型非緩沖開關(guān)電容CMOS采樣保持的簡易輸入電路。

大多數(shù)ADC都采用該差分結(jié)構(gòu)。這既簡化匹配要求，又減少二階產(chǎn)物。此外，差分結(jié)構(gòu)還有利于抑制共模噪聲。

注意，SHA開關(guān)直接連接至每個(gè)輸入。因?yàn)闆]有隔離緩沖器，開關(guān)瞬態(tài)問題可能十分突出。驅(qū)動(dòng)放大器的瞬態(tài)建立時(shí)間必須足夠快，否則放大器無法在半個(gè)采樣周期內(nèi)穩(wěn)定至所需精度(該建立時(shí)間必須包括外部串行電阻的效應(yīng))。

此結(jié)構(gòu)的差分輸入阻抗呈動(dòng)態(tài)，并在SHA切換采樣模式和保持模式時(shí)變化。此外，阻抗和模擬輸入頻率成函數(shù)關(guān)系。

在跟蹤模式(如圖所示)，輸入信號(hào)對(duì)保持電容CH進(jìn)行充放電，當(dāng)電路切換至保持模式時(shí)，開關(guān)反轉(zhuǎn)位置，并將保持電容上的電壓傳送至輸出。

十分推薦這類輸入采用差分驅(qū)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)開關(guān)瞬態(tài)的共模抑制。雖然可單端驅(qū)動(dòng)它們(一個(gè)輸入連接至適當(dāng)?shù)墓材ｋ妷?，但因?yàn)闊o法再抑制偶數(shù)階失真產(chǎn)物，SFDR性能會(huì)下降。

圖2 (A)所示為典型非緩沖CMOS ADC的每個(gè)差分輸入以及采樣時(shí)鐘。這些輸入使用一個(gè)50Ω源電阻來驅(qū)動(dòng)。注意，因?yàn)榍笆鲩_關(guān)動(dòng)作，在每個(gè)采樣時(shí)鐘的邊沿會(huì)出現(xiàn)一次瞬態(tài)。圖2(B)所示為在與(A)相同的條件下的ADC差分輸入信號(hào)。注意，瞬態(tài)電流毛刺屬于共模信號(hào)，故大多數(shù)會(huì)被消除。注意，為了達(dá)到最佳消除狀態(tài)，必須從一對(duì)平衡的源阻抗驅(qū)動(dòng)兩個(gè)輸入(阻抗的實(shí)部和虛部都必須匹配)。

圖2:典型單端(A)和差分。

(B) CMOS開關(guān)電容ADC的輸入瞬態(tài)。

驅(qū)動(dòng)精密16和18位差分輸入ADC

圖3所示為ADA4941-1驅(qū)動(dòng)具有開關(guān)電容輸入的18位PulSAR系列ADC.這是一種單端雙極性信號(hào)、差分ADC輸入的常見應(yīng)用。為了實(shí)現(xiàn)高分辨率，驅(qū)動(dòng)放大器必須具有低失真、低噪聲、高直流精度以及具備單端至差分轉(zhuǎn)換功能的特點(diǎn)。ADA4941-1是一款低功耗(2.2 mA@ 3.3 V)、低噪聲(10.2 nV/√Hz @ 1 kHz)、低失真(110 dBc @ 100 kHz)的高達(dá)18位ADC的差分驅(qū)動(dòng)器。小信號(hào)帶寬為31 MHz.該放大器還具有軌到軌輸出、高輸入阻抗和用戶可調(diào)節(jié)增益的特性。

ADA4941-1由兩個(gè)運(yùn)算放大器組成。圖中下面一個(gè)配置成一個(gè)非定向同相緩沖器(帶外部反饋電阻)并驅(qū)動(dòng)一個(gè)反相放大器。反相放大器的前饋和反饋電阻包括在IC中。盡管反相放大器會(huì)產(chǎn)生額外的相移和延時(shí)，但這不會(huì)在相關(guān)頻率處引入顯著的誤差(最高1MHz或2MHz)。

圖3:在+5V應(yīng)用中ADA4941-1驅(qū)動(dòng)AD7690 18位PulSAR? ADC

在此應(yīng)用中，兩個(gè)電阻分壓器將ADA4941-1的輸出共模電壓設(shè)為+2.1 V,這樣輸出只能在離地電平的100m V內(nèi)。這使放大器軌到軌級(jí)具有充足裕量并允許整個(gè)電路采用+5 V單電源工作。

AD7690和AD7691的輸入范圍為2.VREF p-p差分。所用基準(zhǔn)電壓源為ADR444,這是一個(gè)4.096 V基準(zhǔn)電壓源。截止頻率為1 MHz的低通濾波器的41.2 電阻和3.9 nF電容適合搭配輸入帶寬為9MHz的AD7690使用。對(duì)于所選配置，ADA4941-1輸出噪聲頻譜密度為10.2 nV/√Hz.在濾波器帶寬上積分后此值變成13 uV rms.這對(duì)應(yīng)于運(yùn)算放大器的107dB SNR,比ADC的100 dBSNR好7 dB.

圖4所示為驅(qū)動(dòng)高性能iCMOSTM PulsarTM ADC(如AD7634)的另一個(gè)示例。許多工業(yè)應(yīng)用的信號(hào)高達(dá)±10 V.iCMOS系列ADC被專門設(shè)計(jì)來滿足此類應(yīng)用。大多數(shù)iCMOS Pulsar ADC具有差分輸入。這里，ADA4922-1驅(qū)動(dòng)一個(gè)16位或18位iCMOS PulSAR ADC.它執(zhí)行單端至差分轉(zhuǎn)換。

圖4:在±12V工業(yè)應(yīng)用中ADA4922-1驅(qū)動(dòng)AD7634 18位PulSAR? ADC.

ADA4922-1是一款16至18位ADC差分驅(qū)動(dòng)器，差分輸入范圍高達(dá)40 V p-p.小信號(hào)帶寬為38MHz.ADA4922-1采用ADI公司專有的第二代XFCB工藝制造，使放大器可以在高電源電壓條件下實(shí)現(xiàn)出色的噪聲和失真性能。

針對(duì)該運(yùn)算放大器使用1MHz低通濾波器進(jìn)行噪聲計(jì)算可得15uV rms.ADC的信號(hào)范圍為40 V p-p,即14.14 V rms.這由于運(yùn)算放大器自身會(huì)產(chǎn)生119 dB的SNR.

使用100 dB的AD7634 SNR,ADC均方根輸入噪聲可計(jì)算為141 V rms.因此，組合輸入ADC噪聲為142 V rms,運(yùn)算放大器所貢獻(xiàn)的噪聲幾乎可以忽略不計(jì)。