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差分輸入ADC特性

目前許多高性能ADC設(shè)計均采用差分輸入。全差分ADC設(shè)計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。盡管可以單端驅(qū)動，但全差分驅(qū)動器通?？梢詢?yōu)化整體性能。

差分輸入ADC的一種最普通的驅(qū)動方法是使用變壓器。不過，因為許多應(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。這類情況就需要使用差分驅(qū)動器。本教程重點介紹如何驅(qū)動高達10 MSPS采樣速率的高分辨率16至18位ADC.輸入信號帶寬一般限于數(shù)MHz.MT-075教程闡述適用于驅(qū)動更高速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)直接連接至每個輸入。因為沒有隔離緩沖器，開關(guān)瞬態(tài)問題可能十分突出。驅(qū)動放大器的瞬態(tài)建立時間必須足夠快，否則放大器無法在半個采樣周期內(nèi)穩(wěn)定至所需精度(該建立時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態(tài)，并在SHA切換采樣模式和保持模式時變化。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)，輸入信號對保持電容CH進行充放電，當(dāng)電路切換至保持模式時，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)動以實現(xiàn)開關(guān)瞬態(tài)的共模抑制。雖然可單端驅(qū)動它們(一個輸入連接至適當(dāng)?shù)墓材ｋ妷?，但因為無法再抑制偶數(shù)階失真產(chǎn)物，SFDR性能會下降。

圖2 (A)所示為典型非緩沖CMOS ADC的每個差分輸入以及采樣時鐘。這些輸入使用一個50Ω源電阻來驅(qū)動。注意，因為前述開關(guān)動作，在每個采樣時鐘的邊沿會出現(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。注意，瞬態(tài)電流毛刺屬于共模信號，故大多數(shù)會被消除。注意，為了達到最佳消除狀態(tài)，必須從一對平衡的源阻抗驅(qū)動兩個輸入(阻抗的實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)動精密16和18位差分輸入ADC

圖3所示為ADA4941-1驅(qū)動具有開關(guān)電容輸入的18位PulSAR系列ADC.這是一種單端雙極性信號、差分ADC輸入的常見應(yīng)用。為了實現(xiàn)高分辨率，驅(qū)動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。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18位ADC的差分驅(qū)動器。小信號帶寬為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由兩個運算放大器組成。圖中下面一個配置成一個非定向同相緩沖器(帶外部反饋電阻)并驅(qū)動一個反相放大器。反相放大器的前饋和反饋電阻包括在IC中。盡管反相放大器會產(chǎn)生額外的相移和延時，但這不會在相關(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AD7690 18位PulSAR? ADC

在此應(yīng)用中，兩個電阻分壓器將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具有充足裕量并允許整個電路采用+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.這對應(yīng)于運算放大器的107dB SNR,比ADC的100 dBSNR好7 dB.

圖4所示為驅(qū)動高性能iCMOSTM PulsarTM ADC(如AD7634)的另一個示例。許多工業(yè)應(yīng)用的信號高達±10 V.iCMOS系列ADC被專門設(shè)計來滿足此類應(yīng)用。大多數(shù)iCMOS Pulsar ADC具有差分輸入。這里，ADA4922-1驅(qū)動一個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AD7634 18位PulSAR? ADC.

ADA4922-1是一款16至18位ADC差分驅(qū)動器，差分輸入范圍高達40 V p-p.小信號帶寬為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現(xiàn)出色的噪聲和失真性能。

針對該運算放大器使用1MHz低通濾波器進行噪聲計算可得15uV rms.ADC的信號范圍為40 V p-p,即14.14 V rms.這由于運算放大器自身會產(chǎn)生119 dB的SNR.

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