AN-2555：真雙極性輸入、全差分輸出、ADC驅(qū)動器設(shè)計

數(shù)據(jù)采集和通用測試和測量設(shè)備中使用的精密信號鏈必須適應(yīng)各種輸入電平。信號鏈可能需要提供高輸入阻抗，同時支持增益和衰減，并調(diào)整共模電平，以確保信號落在ADC的適當(dāng)輸入范圍內(nèi)。圖1中的原理圖顯示了兩級信號調(diào)理，可將差分雙極性±10 V信號縮放和電平轉(zhuǎn)換為全差分±4.096 V信號，共模電平為ADC所需的2.048 V共模電平。設(shè)計目標(biāo)是在不降低ADC噪聲和失真性能的同時實現(xiàn)這種調(diào)理。ADC 驅(qū)動器通常 電源電壓需要超過ADC的輸入范圍，以允許輸入和輸出擺幅電壓裕量。驅(qū)動器通常必須調(diào)整和轉(zhuǎn)換第一級輸出電壓，以匹配ADC的輸入電壓范圍（或者例如，將真正的雙極性差分信號更改為從地擺幅至V的差分信號）裁判).

圖1中的原理圖由LTspice創(chuàng)建，LTspice是一款高性能SPICE III仿真器、原理圖捕獲和波形查看器，具有增強功能和模型，可簡化開關(guān)穩(wěn)壓器、線性和信號鏈電路的仿真。

圖1.雙極性輸入、全差分輸出ADC驅(qū)動器的LTspice原理圖

主要設(shè)計規(guī)格

對于±10 V的真雙極性輸入信號范圍，表1列出了關(guān)鍵設(shè)計規(guī)格。對于差分±10 V峰值正弦波，該電路輸出±4.096 V差分輸出信號。

設(shè)計說明

該電路是一種ADC驅(qū)動器電路，具有非常高的輸入阻抗，可以定制以驅(qū)動寬范圍的輸入電壓，包括單端和差分。該電路的輸出信號能夠以小于30 ns的采集時間驅(qū)動ADC。該電路在保持最佳噪聲和失真性能的同時實現(xiàn)了這一目標(biāo)。圖1中的電路由作為輸入級的LTC6373可編程增益儀表放大器和全差分放大器ADA4945-1組成。 作為第二級ADC驅(qū)動器，LTC2387-18是一款18位、15 MSPS ADC。此外，LTC100輸出和ADA6373-4945輸入之間有一個1 kHz濾波器以降低噪聲，ADA4945-1輸出和LTC2387-18輸入之間有一個毛刺抑制/降噪濾波器。LTC6373配置為差分至差分放大器，增益為0.5，輸出共模電壓為2.048 V。ADA4945-1配置為衰減差分至差分驅(qū)動器，增益為0.8。ADA4945-1的輸出共模電壓為2.048 V，與LTC2387-18輸入范圍兼容。LTC2387-18在每個輸入端的輸入信號范圍為0 V至4.096 V，從而產(chǎn)生 使用內(nèi)部4.096 V基準電壓源時，差分輸入信號范圍為±4.096 V。

設(shè)計提示

如果需要更大或更小的信號范圍，則 LTC6373 的增益和 R 的比值F/RG可以更改。例如，如果需要±100 mV信號范圍，則RF可以在保持 R 的同時增加G以其原始值。以下公式可用于重新計算 RF:

其中：

由于ADA4945-1的增益帶寬更大，因此建議增加其增益，而不是LTC6373。

由R5、C6、R6和C7組成的濾波器降低了ADA4945-1的帶寬。較低的帶寬導(dǎo)致 LTC2387-18 輸入端的噪聲較低。通過逐漸增加C6和C7的值進行實驗確定，直到SNR停止改善。

濾波器由電阻R7和R8以及電容C4和C5組成，有助于將ADA4945-1輸出與ADC輸入產(chǎn)生的采樣毛刺（如果未緩沖）隔離開來。它限制了提供給ADC輸入的信號的帶寬，并有助于降低ADC輸入端的噪聲。

如果驅(qū)動器和ADC之間的濾波器沒有時間建立，則結(jié)果是增益誤差。根據(jù)應(yīng)用的不同，小的增益誤差可能是可以容忍的，但無法建立也會導(dǎo)致失真，這是必須避免的。精密ADC驅(qū)動器工具可用于檢查濾波器建立并估計電路SNR和THD性能。

設(shè)計程序

初始條件和假設(shè)

LTC6373的電源設(shè)置為±15 V，ADA4945-1的電源設(shè)置為+5 V/?1 V。給定20 V p-p（±10 V）的輸入范圍和8.192 V p-p（進入ADC）的輸出范圍，模擬前端（AFE）上的總增益分布如下：

允許一些裕量來適應(yīng)元件容差和共模的小變化，總增益目標(biāo)設(shè)置為0.4 V/V。LTC6373 支持固定的增益值選擇：{0.25， 0.5， 1， 2， ...， 16}。選擇兩級的增益<1允許ADA4945-1使用較小的電源范圍，并降低每級的噪聲增益。將LTC6373的增益設(shè)置為0.5會導(dǎo)致ADA0-8的增益為4945.1。

LTC6373和ADA4945-1的共模均設(shè)置為2.048 V。

圖2.ADA4945-1的電路定義

對于ADC （LTC2387-18），使用V將滿標(biāo)度輸入設(shè)置為±4.096 V裁判= 4.096 V 和 ±V司 司長= ±4.096 V.

設(shè)置驅(qū)動放大器 （ADA4945-1） VOCM.

在OCM偏置至4.096 V/2 = 2.048 V。 根據(jù)數(shù)據(jù)手冊的輸出共模要求進行檢查。

對于此應(yīng)用程序，

其中 VOCM在允許的范圍內(nèi)。VOCM由 V 提供OCMLTC2387-18 的引腳。

設(shè)置輸入放大器 （LTC6373） 輸入和輸出限值。

由于增益設(shè)置為0.5，因此輸出擺幅為

輸出擺幅為

對于反向信號極性，±D 的值在簡單反轉(zhuǎn)（0.452 V，?4.548 V）。

圖3顯示了 LTC6373，增益為 0.5。看著 VS= ±15 V曲線，可以看出，當(dāng)輸入共模電壓為2.048 V且輸出差分電壓擺幅在±4.548 V之間時，LTC6373很容易支持此應(yīng)用。但是，如果使用±5 V電源，則LTC6373可能會在其差分輸出電壓范圍之外工作。所有LTC6373增益的共模范圍與差分輸出電壓曲線在數(shù)據(jù)手冊中提供了。

五世OCM的 LTC6373 也使用 V 設(shè)置為 2.048 VOCMLTC2387-18 的引腳，以消除產(chǎn)生另一個偏置點的麻煩。

按如下方式設(shè)置放大器增益：

對于此應(yīng)用程序，

為獲得最佳噪聲，ADA4945-1數(shù)據(jù)手冊建議R采用499 ΩF和 RG在單位增益設(shè)置中。在本例中，RG是 縮放至402 Ω以獲得所需的增益。RG由 49.9 Ω 和 453 Ω電阻組成。如果THD比SNR更重要，則可以使用2 kΩ用于RGR為1.62 kΩFTHD 可能提高 3dB，但 SNR 為 4 dB。

設(shè)置驅(qū)動放大器（ADA4945-1）輸出擺幅。

由于驅(qū)動器放大器的差分輸出擺幅約為VOCM，因此當(dāng)觀察+VFS時，運算放大器輸出為?VFS的反向電壓。VREF （4.096 V）用于該范圍，即使實際最大范圍受電路增益限制為4 V。對于此應(yīng)用，ADA4945-1輸出必須能夠在0.0 V至4.096 V范圍內(nèi)擺幅。

對于 VOUTdm=+VFS,

根據(jù)數(shù)據(jù)手冊中電源軌的要求檢查驅(qū)動器放大器（ADA4945-1）輸出電壓擺幅。

根據(jù)ADA4945-1數(shù)據(jù)手冊，在1 kΩ負載下，

對于此應(yīng)用程序，

設(shè)置驅(qū)動放大器（ADA4945-1）輸入擺幅。

對于 VOUTdm= +V司 司長，計算輸入共模電壓如下：

對于 VOUTdm= ?VFS，計算輸入共模電壓如下：

對于此應(yīng)用，ADA4945-1輸入必須能夠在2.02 V至2.07 V范圍內(nèi)擺幅。

檢查驅(qū)動放大器（ADA4945-1）輸入共模。

根據(jù)ADA4945-1數(shù)據(jù)手冊，

滿足數(shù)據(jù)手冊要求。

對于此應(yīng)用程序，

滿足申請要求。

設(shè)計模擬

精密ADC驅(qū)動器工具提供了一個專門的仿真環(huán)境，工程師可以在其中快速確定驅(qū)動放大器和R-C濾波器選擇對ADC信號鏈整體性能的影響。

使用圖4所示的精密ADC驅(qū)動器工具，可以估算建立時間、噪聲和THD性能。精準 ADC 驅(qū)動器工具目前不允許將 LTC6373 添加到原理圖中。因此，僅仿真驅(qū)動LTC4945-1的ADA2387-18性能。驅(qū)動器工具建議最小電源電壓為+4.6 V和?0.5 V。驅(qū)動程序工具警告所選驅(qū)動程序會顯著降低整體噪音性能。RF和 RG是駕駛員噪音的最大貢獻者。驅(qū)動器工具不允許在 R 上添加電容器F如所示應(yīng)用程序所示。電容器可降低驅(qū)動器噪聲。設(shè)計目標(biāo)與仿真結(jié)果的匯總?cè)绫?所示。

圖4.精密ADC驅(qū)動器工具：噪聲和THD結(jié)果

測量結(jié)果

測得的ADC SNR性能比ADA0-4數(shù)據(jù)手冊典型規(guī)格?4945.1 dB低95.7 dB，THD性能比數(shù)據(jù)手冊典型規(guī)格?3 dB低8.117 dB，如圖5所示。

圖5.圖1所示電路的實測性能

設(shè)計目標(biāo)與仿真結(jié)果的總結(jié)如表3所示。通過提高ADA3-4945 R，THD性能最多可提高1 dBG至 2 kΩ 和 RF至 1.62 kΩ。根據(jù)ADC驅(qū)動器工具，這種增加會導(dǎo)致SNR性能下降4 dB。由用戶決定THD或SNR性能是否更重要。所有數(shù)據(jù)均以14 MSPS數(shù)據(jù)速率傳輸。在15 MSPS時，由于ADC采集周期小，THD會顯著降低。

如圖6所示，當(dāng)輸入頻率高于100 kHz時，THD超過?15 dB。當(dāng)輸入頻率高于90 kHz時，SNR低于90 dB。該數(shù)據(jù)是在25°C下拍攝的。 在較低或較高的溫度下，性能可能會更早開始下降。電路處理的變化也可能導(dǎo)致不同的電壓，性能開始下降。

圖6.信噪比和總諧波失真與輸入頻率的關(guān)系

設(shè)計設(shè)備

圖3.輸入共模范圍與差分輸出電壓的關(guān)系

審核編輯：郭婷