使用差分放大器驱动模数转换器

2006-08-16 14:04:58来源: 电子产品世界

高速差分放大器让包含高速模数转换器(ADC)的信号链设计更加灵活。差分运放能提供包括增益,阻抗变换和单端到差分转换等的信号调理功能。

ADC一般是固定增益的器件,当输入信号幅值小于满量程的输入范围的时候性能最好。对幅值不足一个最低有效位LSB的信号进行量化时会引入失真。同样对幅值超过满量程的信号也会引入失真。很多ADC会被轻微的过驱动损坏。CLC5526是一个可变增益的差分放大器,当驱动高速ADC的时候能提供给信号增益或者衰减。它在微控制器的控制下能额外获得42dB的动态范围。对于要求低失真,固定增益和直流耦合的应用,LMH6550是理想的选择。类似LMH6550的差分放大器能选择精确的共模工作点。LMH6550和CLC5526都能提供驱动类似ADC12DL065的CMOS模数转换器所需要的低阻抗和高度灵活的驱动能力。

当选择驱动ADC的运放时,最重要的是先定义系统需求。关键要考虑的参数包括带宽,失真,平衡误差和建立时间。对于宽带信号,失真通常是决定因素。另一方面,对于窄带信号,带宽将会决定选择,因为失真可以通过DSP消除。窄带信号特征是相互调制与谐波失真落在带外的信号,而对宽带信号这些将落在带内。接下来我们将更详细讨论如何根据信号和ADC的特性来选择器件。

首先我们来回顾一下ADC基础知识。作为一个混合信号器件,ADC包括模拟和数字电路。ADC的数字部分工作在时钟采样频率下,在一个特定的应用中,该频率通常是固定的。该采样频率决定了很多关键的参数,后面会做详细讨论。当对信号进行量化的时候,ADC受到Nyquist理论的约束。Nyquist理论表明采样频率至少要两倍于信号的最高频率。否则最终会导致“混叠”信号的生成。对ADC来说,混叠信号表现的并非是它真正的频率。混叠信号可能不是所需要的,在系统设计中必须加以考虑。图1通过在频域中的采样结果演示了混叠现象。根据应用的不同,混叠信号频率可能比需要的信号高或者低。模拟滤波以及选择合适的采样与信号频率能消除由于混叠导致的失真。

图1 Nyquist采样。显示出多个谐波分量落回到Nyquist频段内。LMH6550驱动ADC12L080,采样频率=64MHz,信号频率=9.8MHz。

Nyquist采样

经典的也可能是大家最熟悉的模数转换器应用就是Nyquist应用。在这个例子里,信号包括从直流到ADC采样频率一半的所有频率成分。Nyquist理论规定,信号必须被至少大于信号最高频率两倍的采样频率量化(并不适用于调制信号的载波,仅仅指信号中实际包含信息的部分),以数字化电话语音信号为例,需要的信号频率从300Hz到3kHz,所以ADC的采样频率至少要6KHz.在美国,电话转换为数字信号时使用8KHz的采样率和8比特的分辨率。虽然Nyquist采样是保证ADC正确操作的最低要求,但是抗混叠滤波器对于保证系统性能仍然十分重要。

同样,Nyquist采样也给驱动放大器提出了严格的要求。放大器至少在采样频率的1/2处有0.1dB的带宽。在采样频率的1/2处,放大器和ADC必须有相近的失真和噪声特性。如果放大器用做有源滤波器时,-3dB带宽应该接近采样频率的两倍。对于Nyquist采样总体上来说,放大器和ADC在采样频率的一半及更低的频率上应该都有相近的性能参数。固定增益的放大器,例如LMH6550对于直流耦合信号就是一个理想选择。对于50MHz以下的宽带信号,需要提供缓冲,较小的固定增益和高信号纯度时非常适用。LMH6550同时也可以代替变压器完成从单端到差分信号的转换。

过采样

快速发展的ADC技术给信号链设计者提供了更多的选择。现在的ADC能够以远超过信号带宽所需要的时钟工作。这种方法被称为过采样。

过采样一个关键的好处是其后的数字滤波过程。从信号的上限频率到二分之一采样频率的区域都能进行数字处理。数字滤波器具有易调整,精确度高的特点。并且很容易和其他的数字处理集成,例如下变频和解调。数字滤波器能够消除几乎所有的ADC带外噪声。由数字滤波器提高的信噪比也被称为处理增益。处理增益通常使用dB为单位,为滤波后的信噪比和滤波前的信噪比的比值。但是DSP并不能消除信号带宽内的噪声。仔细选择增益设置与反馈电阻有助于将放大器引入的噪声限制到最小的范围。

欠采样

欠采样方式工作的ADC类似于模拟混频器。非线性混频是项很早的技术,在外差与超外差接收器中很流行。

欠采样通常用在过采样结构中,此时信号带宽比二分之一的采样频率要低很多。仔细选择合适的中频频率和采样频率能够让ADC后的DSP消除大多数由模拟信号链引入的噪声以及由ADC产生的失真。这同过采样中描述的益处相同。这点非常重要,因为同在二分之一采样频率和信号带宽的滤波器相比,在较高的载波频率上的抗混叠滤波器需要更高的Q值。如果没有过采样,欠采样也是不切实际的。

图2是LMH6550驱动ADC12L080的欠采样转换结果,可在窄宽内提高无寄生频率的动态范围。演示系统的SFDR仅仅有32dB。然而,从10MHz?到28MHz的带宽内很清楚的发现SFDR有65dB,如果带宽更窄的话SFDR能够提高到80dB以上。在GSM系统中仅仅需要200kHz的带宽。一个位于放大器和ADC间的简单的两阶LC滤波器就能滤除H2,H3和驱动放大器产生的噪声。数字信号处理能消除大部分失真。运放特性和关键参数如表1所示。

图2 LMH6550驱动?ADC12L080欠采样转换结果。信号频率146MHz。采样频率64MHz。Fs/2*4=128MHz 146-128=18MHz

输入匹配

模数转换器的负载总是难以设计。通常情况下都有高输入阻抗和较大而且可变的容抗。同时,开关电容或者采样保持电路会产生电流尖峰。这些原因导致ADC输入很难匹配,必须使用放大器。差分放大器的输出级能消除电流尖峰同时为精确采样提供低阻抗源。图3中是驱动ADC的典型电路。两个56Ω的电阻用来隔离ADC的容性负载和放大器来确保稳定。同时,这些电阻也是低通滤波器的一部分,用来提供抗混叠滤波和削弱噪声的功能。两个39pF的电容用来消除由于ADC内部开关电路引起的电流尖峰,同时也是ADC输入的低通滤波器的关键部件。在图3的电路中,滤波器的截止频率是1/(2*p*56W*(39pF+14pF))=53MHz(比采样频率略低)。注意ADC的输入电容在计算滤波器频率响应的时候必须要考虑,如果是差分输入的话有效输入电容的值要加倍。同时,正如在图3中显示的,许多ADC的输入电容是ADC转换过程(采样保持电路)的一部分。

图3 驱动ADC。LMH6550驱动ADC12LO66

和所有的高速电路一样,电路板布局很关键。放大器和ADC应该尽可能的靠近。放大器和ADC都要求滤波器件紧靠放置。放大器要求输出导线上的寄生负载尽可能低,ADC对输入导线上可能耦合的高频噪声也很敏感。另外,ADC的数字输出应该和ADC以及放大器的输入做良好的隔离。放大器和ADC的输入管脚不应该放置在电源或者地平面上。电源旁路电容应该满足低ESR而且放在距相关管脚2mm范围内。如果有必要,使用多过孔也是不错的主意。

共模反馈

共模反馈电路的主要优点就在于差分放大器能够精确设置输出的共模电压值。对大多数ADC来说,必须将共模电压设定在一个特定的值以获得完整的动态范围。理论上一个差分放大器只会放大差分信号,输出的共模部分能够独立设置,对增益和差分输出信号没有影响。类似LMH6550的放大器有一个高阻抗输入的共模电压输出缓冲器。这样就允许放大器使用大多数ADC输出的参考电压,同时对ADC的参考电压产生电路不会有太大的负载效应。

另一个共模反馈电路的优点是用放大器从一个单端的源产生完全差分的信号。同时它也平衡了在一个理想的共模电压点上两个差分的输出级。

图4 单电源供电工作和直流工作点

需要重点注意的是,共模反馈电路看上去类似于一个单位增益缓冲器,作为输入脚和输出共模电压间的缓冲。等式Vocm=(V+out+V-out)/2表明了相对于输出共模电压来说,两个输出有相同的幅度和相反的相位。图4显示了单电源供电工作典型结构并且给出了计算共模反馈网络效果的公式。在这个例子中,Vcm是共模反馈缓冲器的输入。Vocm是输出的共模电压,或者叫共模反馈缓冲器的输出。当使用单端电源供电的差分放大器时,输入共模电压工作点将不再是系统设计的主要限制因素。单端电源供电将会限制增益和输出共模电压的设定范围。

关键字:共模  采样  放大器

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