低噪聲精密運算放大器驅動高分辨率 SAR ADC

Erjon Qirko 和 Kris Lokere

引言

LT6018 是一款超低噪聲（1kHz 時 1.2nV/√Hz）、超低失真（1kHz 時 –115dB）的運算放大器。它的增益帶寬積為 15MHz，最大失調電壓為50μV，最大失調電壓漂移為 0.5μV/°C。這種功能組合使其適合驅動多種高分辨率模數轉換器 (ADC)。本設計要點介紹在使用 LT6018 驅動高速 18 位和 20 位逐次逼近寄存器 (SAR)ADC 時，可實現最佳信噪比 (SNR) 和總諧波失真 (THD) 的電路和優(yōu)化策略。

Ultralinear 20 位 ADC

圖 1 顯示 DC2135A 演示電路的修改版，其中 LT6018 （替代 LT1468 ）用于驅動LTC2378-20 20 位 SAR ADC。LTC2378-20 具有無與倫比的 2ppm 線性度。要在創(chuàng)建差分信號的同時保持線性度，最佳方法是使用本演示電路板使用的 LT5400 中的精密匹配電阻。圖1 所示電路的詳細工作原理請參閱設計要點1032（其中用 LT1468 驅動 LTC2377-20）。

為了測量電路的線性度，在輸入中饋入一個超純正弦波，并計算輸出的 FFT。得出的THD 測量值可以代替電路的 INL (積分非線性) 性能值。在 ADC 采樣率為 800kHz 時，我們使用大約 100Hz（略微調整，以確保采樣的一致性，從而減輕 FFT 數值限制）的輸入頻率。

原有的演示電路在運算放大器后面直接加了一個 RC 低通濾波器，用于過濾過高的頻率噪聲。即使在高頻率條件下，LT6018 的噪聲密度也保持相對較低水平，所以，移除這個濾波器幾乎不會對總體噪聲產生影響。移除該濾波器后，線性度（用 THD 測量）顯著提高，因為單端轉差分操作完全由 LT5400中的精密匹配電阻控制，不受任何不匹配的分立元件影響。

LT6018 的低噪聲密度使其適合用于需要增益的電路。增益配置為 10 時，與整體幅度相比，信號強度提高 20dB，SNR 降低 2dB。如果輸入信號很小，這種配置可以將信噪比有效提高18dB。和預期的一樣，線性度降低幅度與放大器環(huán)路增益相當，或者約為 20dB。具體結果匯總見表 1。

表 1. LT6018 驅動 LTC2378-20 SNR 和 THD 結果

驅動高速 18 位 ADC

LTC2387-18 是一款 18 位 SAR ADC，采樣速率達 15Msps。在該采樣速率下，ADC 的內部采樣電容可以在不到 30ns 內（“采集時間”）連接到放大器輸出。在此期間，放大器（和濾波器）電路必須從電荷反沖中恢復，并補充采樣電容的電荷，以便 ADC 能夠在下一個轉換周期測量正確的輸入電壓。仔細優(yōu)化放大器和濾波器網絡是必要的。在圖 2 中，兩個 LT6018 配置為單位增益跟隨器，并連接至 LTC2387-18 演示電路板，后者的 ADC 輸入端配置濾波器電阻和電容。

表 2 顯示在輸入端測量的 1.008kHz 純正弦波的 SNR 和 THD 值，以及在相干速率為 14.680Msps 時的 ADC 采樣速率。表中第一項顯示 LT6200 放大器結果，這是一款高速低噪聲運算放大器。濾波器配置采用演示電路板的默認帶寬，約 200MHz。這種配置支持 ADC 電荷反沖完全消解，從而實現出色的 THD 性能（–120dB）。但是，SNR 要比 ADC 的 96dB 低 2dB。

LT6018 的帶寬比 LT6200 低，但直流精度（失調和偏移）更高。但是，LT6018 可采用相同的配置，因為 LT6200 會大幅降低 SNR和 THD。SNR 之所以降低，是因為放大器的噪聲密度可能超過下方的帶寬，如果不加以過濾，該噪聲將會進入 ADC。THD 之所以降低，是因為速度較慢的放大器（以滿ADC 電荷反沖碰撞時）沒有達到適度穩(wěn)定狀態(tài)，且遺留非線性殘余物供 ADC 數字化。

我們可以通過增加電阻和電容的值，以及在兩個 ADC 輸入之間配置一個差分電容來過濾寬帶放大器的噪聲。此舉可以提高該 ADC的信噪比，達到理論最大值 96dB，這意味著集成放大器的噪聲可以忽略不計。此外，對于濾波器配置，傾向于選擇較小的串聯(lián)電阻和更大的電容時，電荷反沖的初始效應會被減弱，THD 性能因而得到改善，其值遠低于–100dB。

表 2. LT6018 驅動 LTC2387-18 SNR 和 THD 結果

結論

現代 SAR ADC 兼具低噪聲、高線性度和高直流失調精度特性。要達到這些規(guī)格要求，需要采用一個具備同等直流規(guī)格、低噪聲及足夠帶寬的放大器，例如 LT6018。采用中速ADC（例如 1Msps 20 位 LTC2378-20）時，將 LT6018 與精準匹配的 LT5400 電阻配合使用可以產生差分輸入信號，且無需再實施濾波。采用超快速 SAR ADC（例如 18 位15Msps LTC2387-18）時，通過優(yōu)化運算放大器和 ADC 值之間的 RC 濾波網絡，可以實現出色的噪聲和線性度性能。