低噪聲精準(zhǔn)運(yùn)放驅(qū)動(dòng)高分辨率寄存器 ADC電路設(shè)計(jì)

LT6018 是一款具超低失真 (在 1kHz 為 –115dB) 的超低噪聲 (在 1kHz 為 1.2nV/√Hz) 運(yùn)算放大器。該器件擁有 15MHz 的增益帶寬積、50μV 的最大失調(diào)電壓和 0.5μV/°C 的最大失調(diào)電壓漂移。這種特性組合使之適合于驅(qū)動(dòng)多種高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)。當(dāng)采用 LT6018 驅(qū)動(dòng)高速 18 位和 20 位逐次逼近寄存器 (SAR) ADC 時(shí)，怎樣實(shí)現(xiàn)最佳的信噪比 (SNR) 和總諧波失真 (THD) 呢? 本 “設(shè)計(jì)要點(diǎn)”給出了相應(yīng)的電路和優(yōu)化策略。

超線性 20 位 ADC

圖 1 示出了 DC2135A 演示電路的一處修改，用 LT1068 (替換了 LT1468) 驅(qū)動(dòng) LTC2378-20 20 位 SAR ADC。LTC2378-20 因其無(wú)可比擬的 2ppm 線性性能而引人注目。在保持線性度的同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)差分信號(hào)的最佳方法是在該演示板所使用的 LT5400 中采用精準(zhǔn)的匹配電阻器。圖 1 所示電路的詳細(xì)工作原理請(qǐng)見 “設(shè)計(jì)要點(diǎn) 1032” (在該設(shè)計(jì)要點(diǎn)中是用 LT1468 驅(qū)動(dòng) LTC2377-20)。

圖 1：DC2135A 演示板設(shè)置

如欲測(cè)量該電路的線性度，則把一個(gè)超純正弦波饋入輸入端，并在輸出端計(jì)算 FFT。最終的 THD 測(cè)量值充當(dāng)電路 INL (積分非線性) 性能的代表。在 800kHz 的 ADC 采樣速率下，我們使用一個(gè)約 100Hz 的輸入頻率 (略作調(diào)整以確保相干采樣，從而放寬 FFT 數(shù)值限制)。

原來(lái)的演示電路包括一個(gè)緊接在運(yùn)放之后的 RC 低通濾波器，以濾除過(guò)量的高頻噪聲。LT6018 的噪聲密度甚至在高頻條件下也保持在相對(duì)較低的水平，因此去掉這個(gè)濾波器對(duì)總噪聲的影響可以忽略不計(jì)。如果沒(méi)有該濾波器，則線性度 (按 THD 來(lái)衡量) 顯著地改善，這是因?yàn)閱味酥敛罘洲D(zhuǎn)換現(xiàn)在完全受控于 LT5400 中的精確匹配電阻器，不會(huì)受到任何匹配不佳的分立組件的損壞。

LT6018 的低噪聲密度使其適合需要增益的電路。當(dāng)配置在增益為 10 的情況下，信號(hào)強(qiáng)度增加 20dB，而 SNR 下降 2dB (相對(duì)于全標(biāo)度)。如果輸入信號(hào)很小，則這種布置可使有效信噪比改善 18dB。正如預(yù)料的那樣，線性度的降幅與放大器環(huán)路增益相同，即大約 20dB。

結(jié)果歸納于表 1。

表 1：LT6018 驅(qū)動(dòng) LTC2378-20 的 SNR 和 THD 結(jié)果

驅(qū)動(dòng)一個(gè)高速 18 位 ADC

LTC2387-18 是一款采樣速率可高達(dá) 15Msps 的 18 位 SAR ADC。在該采樣速率下，ADC 的內(nèi)部采樣電容器連接至放大器輸出端的持續(xù)時(shí)間少于 30ns (“采集時(shí)間”)。在這段時(shí)間里，放大器 (和濾波器) 電路必須從電荷回踢狀態(tài)恢復(fù)并補(bǔ)充采樣電容器的電荷，于是 ADC 能夠在下一個(gè)轉(zhuǎn)換周期測(cè)量正確的輸入電壓。放大器和濾波器網(wǎng)絡(luò)的謹(jǐn)慎優(yōu)化是有必要的。

在圖 2 中，兩個(gè) LT6018 被配置為單位增益跟隨器，并連接至 LTC2387-18 演示板，該演示板在 ADC 輸入端布設(shè)了濾波電阻器和電容器。

圖 2：LT6018 驅(qū)動(dòng) LTC2387-18 (采用 DC2290A-A 演示板)

表 2 列出了 SNR 和 THD 結(jié)果，測(cè)量條件是：在輸入端饋入一個(gè) 1.008kHz 的純正弦波，而 ADC 的相干采樣速率為 14.680Msps。第一個(gè)表項(xiàng)給出的是采用 LT6200 放大器 (一款非常高速的低噪聲運(yùn)放) 時(shí)的結(jié)果。濾波器配置是大約 200MHz 的演示板默認(rèn)帶寬。這提供了 ADC 電荷回踢的完全穩(wěn)定，從而獲得 –120dB 的卓越 THD 指標(biāo)。不過(guò)，SNR 比 ADC 的 96dB 能力低 2dB。

表 2：LT6018 驅(qū)動(dòng) LTC2387-18 的 SNR 和 THD 結(jié)果

LT6018 的帶寬低于 LT6200，但是 DC 準(zhǔn)確度 (失調(diào)和漂移) 則好得多。然而，把 LT6018 插入和 LT6200 相同的配置卻顯著地降低了 SNR 和 THD 性能。SNR 指標(biāo)下降的原因是：與低于其帶寬的時(shí)候相比，在高于其帶寬的情況下放大器噪聲密度會(huì)較高，而且該噪聲如果未被濾除則將混疊到 ADC 中。THD 指標(biāo)的劣化則是因?yàn)樗俣容^慢的放大器在遭受大量的 ADC 電荷回踢之沖擊時(shí)不會(huì)完全地穩(wěn)定，并且把非線性殘余物留給 ADC 去進(jìn)行數(shù)字化處理。

我們可以通過(guò)增加電阻器和電容器的數(shù)值，以及在兩個(gè) ADC 輸入之間布設(shè)一個(gè)差分電容器來(lái)濾除寬帶放大器噪聲。這么做可把 SNR 一直改善到該 ADC 的理論最大值 96dB，這意味著積分放大器噪聲已變得可忽略不計(jì)。此外，通過(guò)使濾波器配置向采用較小串聯(lián)電阻器和較大電容器的方向傾斜，可減弱電荷回踢的初始影響，從而改善 THD 性能 (遠(yuǎn)低于 –100dB)。

結(jié)論

新式 SAR ADC 組合了低噪聲與高線性度和精準(zhǔn)的 DC 偏移準(zhǔn)確度。實(shí)現(xiàn)這些性能指標(biāo)需要采用一個(gè)具有同樣好的 DC 規(guī)格參數(shù)、低噪聲和充足帶寬的放大器，比如 LT6018。借助中等速度 ADC (例如：1Msps 20 位 LTC2378-20)，LT6018 結(jié)合精準(zhǔn)匹配的 LT5400 電阻器能夠產(chǎn)生一個(gè)差分輸入信號(hào)，并不需要額外的濾波。當(dāng)采用超快速 SAR ADC (如 18 位 15Msps LTC2387-18) 時(shí)，通過(guò)對(duì)一個(gè)介于運(yùn)放和 ADC 之間的 RC 濾波器網(wǎng)絡(luò)的謹(jǐn)慎優(yōu)化可實(shí)現(xiàn)超卓的噪聲和線性性能。