設(shè)計(jì)從直流到寬帶的高速模擬信號(hào)鏈

如今，在轉(zhuǎn)換器領(lǐng)域風(fēng)靡一時(shí)的是GSPS ADC，也稱為RF ADC。由于市場(chǎng)上有如此高的采樣率轉(zhuǎn)換器，與五年前相比，奈奎斯特打開了 10×。關(guān)于使用RF ADC的優(yōu)勢(shì)以及如何使用它們進(jìn)行設(shè)計(jì)并以如此高的速率捕獲數(shù)據(jù)，已經(jīng)進(jìn)行了大量討論。謝謝JESD204x財(cái)團(tuán)。但有一個(gè)考慮因素似乎被遺忘了，即低直流信號(hào)。

在高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）之前設(shè)計(jì)輸入配置或前端對(duì)于實(shí)現(xiàn)所需的系統(tǒng)性能始終至關(guān)重要。通常，重點(diǎn)是捕獲寬帶頻率，例如大于1 GHz的頻率。然而，在某些應(yīng)用中，直流或近直流信號(hào)也是必需的，最終用戶可以欣賞，因?yàn)樗鼈円矓y帶重要信息。因此，優(yōu)化整體前端設(shè)計(jì)以捕獲直流和寬帶信號(hào)需要一個(gè)直流耦合前端，該前端一直通向高速轉(zhuǎn)換器。

由于應(yīng)用的性質(zhì)，需要開發(fā)有源前端設(shè)計(jì)，因?yàn)橛糜趯⑿盘?hào)耦合到轉(zhuǎn)換器的無源前端和巴倫本質(zhì)上是交流耦合的。本文將概述共模信號(hào)的重要性以及如何正確對(duì)放大器前端進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，以實(shí)際系統(tǒng)解決方案為例進(jìn)行。

共模：概述

當(dāng)客戶對(duì)共模參數(shù)及其與器件的關(guān)系缺乏了解時(shí)，許多客戶支持問題仍然來自客戶。ADC數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)定了模擬輸入的共模電壓要求。關(guān)于這個(gè)問題沒有太多的詳細(xì)信息，但必須保持適當(dāng)?shù)那岸似?，以便在滿量程下實(shí)現(xiàn)ADC的額定性能。

具有集成緩沖器的ADC通常具有電源一半的內(nèi)部偏置共模（CM）電平加上二極管壓降（AVDD/2 + 0.7 V）。該電路不需要外部電路來偏置，但必須保持該電路才能正確使用轉(zhuǎn)換器。對(duì)于無緩沖（開關(guān)電容輸入）轉(zhuǎn)換器，共模偏置通常為模擬電源的一半，即AVDD/2。這可以通過多種方式從外部提供。一些轉(zhuǎn)換器具有專用引腳，允許設(shè)計(jì)人員通過連接到模擬輸入的幾個(gè)電阻提供偏置?；蛘?，設(shè)計(jì)人員可以將內(nèi)部偏置連接到變壓器的中心抽頭，或者可以使用模擬電源旁的電阻分壓器（模擬輸入的每個(gè)支路到 AVDD 和地的電阻）。在使用轉(zhuǎn)換器的V之前，請(qǐng)查看制造商的數(shù)據(jù)手冊(cè)或應(yīng)用支持小組裁判引腳，因?yàn)樵S多基準(zhǔn)電壓源無法在沒有外部緩沖器的情況下提供共模偏置。這很誘人，因?yàn)槟枰腃M電壓就在那里并且很方便，但請(qǐng)注意 - 不要這樣做。

如果未提供或維持共模偏置，轉(zhuǎn)換器將產(chǎn)生增益和失調(diào)誤差，從而影響整體測(cè)量。轉(zhuǎn)換器可能會(huì)提前削波，或者根本不削波，因?yàn)闊o法達(dá)到轉(zhuǎn)換器的滿量程。在轉(zhuǎn)換器前面連接放大器時(shí)，共模偏置尤其重要，尤其是在應(yīng)用需要直流耦合時(shí)。檢查放大器的數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)格，確保放大器能夠滿足轉(zhuǎn)換器的擺幅和共模電源要求。轉(zhuǎn)換器一直在推動(dòng)更小的幾何工藝，因此需要降低供應(yīng)量。采用1.8 V電源時(shí)，如果需要直流耦合，放大器需要0.9 V共模電壓。具有3.3 V至5 V電源電壓的放大器可能無法保持如此低的電平，但較新的低壓放大器可以，或者設(shè)計(jì)人員可以使用分離電源并在VSS引腳上使用負(fù)電源軌。但是，在執(zhí)行此操作時(shí)，請(qǐng)記住，其他引腳也可能需要連接到負(fù)電源軌。請(qǐng)查閱產(chǎn)品的數(shù)據(jù)手冊(cè)和/或直接應(yīng)用支持，了解詳情。

共模：已定義

讓我們從定義什么是CM電壓開始。圖1顯示了轉(zhuǎn)換器如何看到差分和共模信號(hào)。CM電壓只是信號(hào)圍繞的中心點(diǎn)移動(dòng)——見圖1。您也可以將其視為新的中心點(diǎn)或零碼 - 放大器，CM建立在輸出上，通常通過VOCM引腳或類似引腳。但要小心，這些引腳也有一定的電流和電壓范圍要求。最好查看放大器數(shù)據(jù)手冊(cè)和/或使用不會(huì)加載電路內(nèi)任何相鄰電路或參考點(diǎn)的魯棒偏置點(diǎn)。不要簡(jiǎn)單地?cái)嚅_轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓引腳 （V裁判），通常是轉(zhuǎn)換器滿量程的一半。它可能無法提供足夠的準(zhǔn)確性偏差。謹(jǐn)慎的做法是查看轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)手冊(cè)上的引腳規(guī)格。通常，具有1%電阻容差的簡(jiǎn)單分壓器和/或緩沖驅(qū)動(dòng)器等功能可以為放大器正確設(shè)置此CM偏置。

圖1.差分和共模信號(hào)示例。

在表1中，下面列出了如何連接每個(gè)應(yīng)用的放大器和轉(zhuǎn)換器的快速摘要，以及圖2所示的一些適當(dāng)電路示例。

圖2.放大器/轉(zhuǎn)換器前端的交流耦合與直流耦合應(yīng)用示例。

共模：損壞

如果未提供或維持共模偏置，則轉(zhuǎn)換器將產(chǎn)生增益和失調(diào)誤差，這些誤差會(huì)降低到所采集的整體測(cè)量值。簡(jiǎn)而言之，轉(zhuǎn)換器輸出如圖3所示或圖3的某種變體。輸出頻譜將呈現(xiàn)為看起來像過載的滿量程輸入。這意味著轉(zhuǎn)換器的零點(diǎn)偏離中心而不是最佳狀態(tài)。設(shè)計(jì)人員可能會(huì)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)換器會(huì)提前削波或無法達(dá)到轉(zhuǎn)換器的滿量程。最近，由于轉(zhuǎn)換器使用1.8 V或更低的電源，這個(gè)問題變得更加嚴(yán)重。這意味著模擬輸入的CM偏置為0.9 V或AVDD/2。并非所有單電源放大器都能支持如此低的共模電壓，同時(shí)保持相對(duì)良好的性能。然而，一些新的放大器已經(jīng)適應(yīng)了這一點(diǎn)，并且今天已經(jīng)上市。因此，謹(jǐn)慎的做法是審查哪些放大器可以在您的新設(shè)計(jì)中使用。不是任何舊的放大器都能工作，因?yàn)樵Ａ靠赡軙?huì)變得非常有限，內(nèi)部晶體管開始塌陷。如果雙電源與放大器一起使用，則在大多數(shù)情況下應(yīng)有足夠的裕量，以實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)腃M偏置。不利的一面是額外的供應(yīng)——可能是非標(biāo)準(zhǔn)的負(fù)供應(yīng)，這意味著更多的零件和更多的錢。簡(jiǎn)單的逆變器電路將幫助解決這個(gè)問題。

圖3.放大器和轉(zhuǎn)換器之間的CM不匹配。

將一切整合在一起

現(xiàn)在了解了共模和直流耦合，我們可以開始組合一個(gè)信號(hào)解決方案。例如，ADL5567是一款增益為20 dB的雙通道差分放大器。它具有4.8 GHz帶寬，適合與GSPS ADC接口，例如AD9625是一款12位、2.5 GSPS轉(zhuǎn)換器，帶有JESD204B 8通道接口。圖 4 顯示了該設(shè)置的整體框圖。

圖4.DC-WB放大器/轉(zhuǎn)換器信號(hào)鏈?zhǔn)纠?/strong>