用于雙極性輸入的125 MSPS單電源直流耦合型模擬前端解析

優(yōu)勢(shì)和特性

· 16位、125MSPS前端

· 直流耦合

· 單電源

· 雙極性輸入

連接/參考器件

ADA4930-1/ADA4930-2 超低噪聲單通道/雙通道驅(qū)動(dòng)器，適用于低壓ADC

AD9265 16位、125 MSPS/105 MSPS/80 MSPS、1.8 V模數(shù)轉(zhuǎn)換器

評(píng)估和設(shè)計(jì)支持

設(shè)計(jì)和集成文件

原理圖、布局文件、物料清單

電路功能與優(yōu)勢(shì)

圖1所示電路解決直流耦合單電源系統(tǒng)中雙極性輸入信號(hào)與差分輸入、低壓模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)實(shí)現(xiàn)接口時(shí)經(jīng)常遇到的問(wèn)題。本技術(shù)使用兩個(gè)電平轉(zhuǎn)換電阻，通過(guò)控制輸入共模電平，確保差分驅(qū)動(dòng)放大器輸入端具有正確的共模電平。通過(guò)對(duì)ADA4930-1差分驅(qū)動(dòng)器的VOCM引腳施加正確的電壓，單獨(dú)實(shí)現(xiàn)輸出共模電壓。

這一靈活的方案允許ADA4930-1差分驅(qū)動(dòng)器采用3.3 V單電源工作，同時(shí)16位、125 MSPS ADC AD9265采用1.8 V電源工作，以此最大程度降低總電路功耗。

在寬帶應(yīng)用中，目標(biāo)頻率范圍通常包括直流。若要使差分輸入ADC的動(dòng)態(tài)范圍最大，可適當(dāng)增大典型輸入信號(hào)，這便要求差分驅(qū)動(dòng)器在較低的增益設(shè)置下工作。滿足這些條件后，差分驅(qū)動(dòng)器的輸入共模電壓還必須保持在額定范圍內(nèi)。

在直接耦合單電源應(yīng)用中，經(jīng)常需要對(duì)差分放大器的輸入和輸出共模電壓進(jìn)行獨(dú)立控制;這些應(yīng)用包括：處理具有高輸入共模電壓的解調(diào)器輸出、直流器件連接差分器件的X射線應(yīng)用，以及那些差分驅(qū)動(dòng)器必須處理低數(shù)值輸入共模電壓的應(yīng)用等。低輸入共模電壓應(yīng)用可能包括單端或差分輸入，輸入可以是零輸入、雙極性輸入或負(fù)輸入。

圖1. 高速、單端至差分ADC驅(qū)動(dòng)器(原理示意圖：未顯示所有連接和去耦)

電路描述

現(xiàn)代高速ADC通常由差分放大器驅(qū)動(dòng)，以獲得最佳性能。典型差分驅(qū)動(dòng)器在增益小于等于2時(shí)可獲得最佳交流性能，并且在單電源應(yīng)用中，滿量程輸入信號(hào)頻率超出ADC驅(qū)動(dòng)器的輸入共模電壓范圍。

為了避免使用差分放大器時(shí)的共模電壓?jiǎn)栴}，必須仔細(xì)分析電路。針對(duì)ADA4930-1差分驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)公式與分析可在其數(shù)據(jù)手冊(cè)內(nèi)找到;而ADI公司的差分放大器計(jì)算器(DiffAmpCalc設(shè)計(jì)工具)允許以節(jié)點(diǎn)分析的方式對(duì)電路進(jìn)行完整分析，并將結(jié)果以圖形格式表示。

圖1中的電路使用ADA4930-1，因?yàn)樗茉诓捎?.3 V單電源的情況下輸出0.9 V的共模電壓(VOCM)，該共模電平最為適合1.8 V ADC，如AD9265。

為了優(yōu)化噪聲性能并盡可能減少其對(duì)信納比(SINAD)的負(fù)面影響，選用的RFx值為249 Ω。然后，使用DiffAmpCalc設(shè)計(jì)工具，測(cè)得VIN至差分輸出電壓(VOD)的增益為0.511，從而確定RGx和RTx值。

圖1中的輸入信號(hào)來(lái)源于50 Ω RF，并驅(qū)動(dòng)帶通濾波器。為了保持差分放大器源阻抗平衡，將0.1 μF交流耦合電容與49.9 Ω電阻串聯(lián)，然后連接至未使用的輸入，如圖1所示。該電容的阻抗足夠低，可用作70 MHz中心頻率的交流短路信號(hào)。

采用3.3 V單電源并用于ADA4930-1的輸入共模電壓范圍為0.3 V至1.2 V。兩個(gè)輸入共模電阻RCM1和RCM2連接差分放大器輸入引腳和基準(zhǔn)電壓VREF1與VREF2，確保滿量程雙極性輸入信號(hào)下的輸入共模電壓不低于0.3 V。

若沒(méi)有共模偏置電阻，則ADA4930-1的輸入共模電壓低于0.3 V，采用滿量程信號(hào)時(shí)會(huì)發(fā)生削波。

為方便起見(jiàn)，VREF1和VREF2分別連接3.3 V單電源VCC。與3.3 V電源的連接可提升標(biāo)稱(chēng)輸入共模電壓，以適應(yīng)負(fù)輸入信號(hào)擺幅。計(jì)算共模電阻的技巧可參見(jiàn)ADA4930-1數(shù)據(jù)手冊(cè)。

將小數(shù)值緩沖器電阻與差分放大器的輸出串聯(lián)使用是非常普遍的做法。這樣做可以最大程度降低高頻峰值，并將放大器輸出與濾波器電容隔離。在圖1所示電路中，這些值為25 Ω。

3極點(diǎn)巴特沃茲低通濾波器有助于滾降二階和三階諧波，并降低ADC輸入噪聲。選擇奇數(shù)階濾波器，以便使最終濾波器電容與AD9265的輸入電容并聯(lián)。

巴特沃茲濾波器針對(duì)100 MHz的截止頻率、50 Ω的輸入阻抗和1 kΩ的輸出阻抗而設(shè)計(jì)。濾波器元件值四舍五入至標(biāo)準(zhǔn)值，并進(jìn)一步優(yōu)化，以獲得最佳系統(tǒng)性能。

選擇10 kΩ電阻與ADC輸入并聯(lián)，其數(shù)值盡可能大，以便盡量減少信號(hào)路徑上的衰減。ADA4930-1與AD9265距離很近，可最大程度降低70 MHz時(shí)的傳輸線路效應(yīng)。因此，未采用驅(qū)動(dòng)器輸出與ADC輸入間的傳統(tǒng)端接方式。

驅(qū)動(dòng)AD9265時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意不要過(guò)驅(qū)ADC輸入。ADA4930-1采用3.3 V電源時(shí)的最大輸出為1.74 V，該值位于AD9265的最大輸入電壓規(guī)格內(nèi)。

共模電壓分析

圖2顯示輸入適當(dāng)數(shù)值至DiffAmpCalc工具后，設(shè)計(jì)的基本切入點(diǎn)。注意，輸入信號(hào)為1.4 V p-p，因此+IN和−IN輸入的信號(hào)低至0.305 V。較大的信號(hào)會(huì)造成削波，如圖3所示。

解決問(wèn)題的方法之一是添加一個(gè)負(fù)電源，但由于不能超出5.5 V最大電源電壓，因此不能使用±3.3 V電源。雖然可以采用一個(gè)+3.3 V、−1 V雙電源系統(tǒng)，但這并不方便，而且會(huì)增加功耗。

如圖1所示，加入的兩個(gè)RCMx電阻便是理想的解決方案，并且通過(guò)887 Ω電阻可將ADA4930-1上的標(biāo)稱(chēng)共模電壓從0.489 V上升至0.860 V。+IN和−IN輸入的最大負(fù)擺幅和正擺幅現(xiàn)在分別是0.61 V和1.11 V，位于0.3 V至1.2 V的允許范圍內(nèi)。

圖2. 針對(duì)低電平輸入信號(hào)的DiffAmpCalc設(shè)計(jì)分析，3.3 V單電源，VOCM = 0.9 V

圖3. 針對(duì)滿量程輸入信號(hào)的DiffAmpCalc設(shè)計(jì)分析，3.3 V電源，VOCM = 0.9 V，顯示削波影響

電路性能

圖4顯示AD9265評(píng)估板直接耦合至外部帶通濾波器時(shí)的性能，中心頻率為70 MHz，采樣率為125 MSPS。AD9265評(píng)估板的標(biāo)準(zhǔn)配置可采用一個(gè)RF巴倫將單端信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)。

圖4. 由巴倫驅(qū)動(dòng)的AD9265 VisualAnalog FFT

圖5顯示了圖1中使用AD9265和ADA4930-1且無(wú)887 Ω偏置電阻的單電源設(shè)計(jì)。削波影響很明顯。DiffAmpCalc也顯示了這一削波影響(見(jiàn)圖3)。

圖5. ADA4930-1和AD9265 VisualAnalog FFT，移除RCM1和RCM2后顯示削波影響

圖6顯示ADA4930-1采用3.3 V單電源供電時(shí)的性能，此時(shí)連接共模電阻RCM1和RCM2。此外，AD9265評(píng)估板上的巴倫和RC濾波器被移除，并以3極點(diǎn)巴特沃茲濾波器代替，如圖1所示。

圖6. ADA4930-1和AD9265 VisualAnalog FFT，添加RCM1和RCM2，如圖1所示

以有效位數(shù)(ENOB)、SINAD和信噪比(SNR)作為品質(zhì)因數(shù)，表1比較了圖4、圖5和圖6的結(jié)果。

表1. ENOB、SINAD和SNR結(jié)果匯總

輸入共模電阻的主要功能是獨(dú)立轉(zhuǎn)換輸入共模電壓，加入此電阻幾乎不會(huì)對(duì)性能產(chǎn)生影響，如表1所示。例如，加入RCM電阻之前的ENOB是12.4，而加入以后則為12.1。根據(jù)圖1中的配置，由于ADA4930-1輸出噪聲密度為4.7 nV/√Hz，ENOB的輕微下降可歸結(jié)為本底噪聲的輕微上揚(yáng)。本數(shù)值采用DiffAmpCalc工具計(jì)算得到。因此，通過(guò)添加RCM1和RCM2兩個(gè)電阻，即可單獨(dú)控制ADC驅(qū)動(dòng)器的輸入和輸出共模電平，同時(shí)保持出色的ENOB、SINAD和SNR性能。

常見(jiàn)變化

改變ADA4930-1的反饋和增益電阻是圖1所示電路的變化形式之一。增加反饋和增益電阻至499 Ω基本不會(huì)增加本底噪聲，因此性能下降極少(見(jiàn)圖7)。

圖7. ADA4930-1和AD9265 VisualAnalog FFT，使用499 Ω反饋和增益電阻

雖然改變?cè)鲆婧头答侂娮璧挠绊懖淮?，但ENOB則從12.1位下降至11.9位。

圖1的另一種變化形式是使用替代型ADC，如AD9255(14位、125 MSPS)、AD9258(雙通道14位、125 MSPS)或AD9268(雙通道16位、125 MSPS)。

對(duì)于需要雙驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用，如基于雙通道AD9258或AD9268的I/Q接收器，可使用ADA4930-2驅(qū)動(dòng)器。

電路評(píng)估與測(cè)試

設(shè)備要求

需要使用以下設(shè)備：

· 帶USB端口的Windows® XP、Windows Vista®(32位)或Windows 7(32位)PC

· ADA4930-1YCP-EBZ評(píng)估板

· AD9265-125EBZ評(píng)估板

· HSC-ADC-EVALCZ FPGA數(shù)據(jù)采集套件

· VisualAnalog軟件

· ADI公司的DiffAmpCalc工具

· 3.3 V、100 mA電源

· 0.9 V、100 mA電源

· 6 V、2 A壁裝式電源(各兩個(gè))

· 125.127 MHz Wenzel晶體振蕩器(器件號(hào)：500-25341)

· 70 MHz帶通濾波器

· 125 MHz帶通濾波器

· RF源：Rohde & Schwarz SMA100A信號(hào)發(fā)生器

· 帶BNC和SMA連接器的同軸電纜

開(kāi)始使用

軟件安裝

AD9265的VisualAnalog軟件可在www.analog.com/visualanalog上找到;FPGA數(shù)據(jù)采集套件的使用指南可在www.analog.com/fifo上找到。該軟件兼容Windows XP (SP2)、Windows Vista和Windows 7(32位或64位)。下載VisualAnalog軟件并安裝。

請(qǐng)先安裝評(píng)估軟件，再將FPGA數(shù)據(jù)采集套件連接到PC的USB端口，確保PC能夠正確識(shí)別評(píng)估系統(tǒng)。

設(shè)置與測(cè)試

有關(guān)使用軟件和運(yùn)行測(cè)試的完整設(shè)置信息，請(qǐng)參考UG-074用戶(hù)指南。圖8顯示測(cè)試設(shè)置的功能框圖。

圖8. 測(cè)試設(shè)置功能框圖

若要測(cè)試圖1中的電路，AD9265評(píng)估板上的硬件需要經(jīng)過(guò)下文所述的微小改變：

· 在J2安裝SMA輸入連接器INPUT−。

· 將T3和T6的巴倫移除。

· 將C2至C4、C15、C96和C71的電容移除。

· 將R1、R15、R16、R22、R23和R47的電阻移除。

· 在R1、R22、R23、R32、C3、C25、C71和C96安裝0 Ω電阻。

· 在R37和R47安裝4.7 pF電容。

· 在T6封裝的引腳1和引腳6上安裝150 nH電感。

· 在T6封裝的引腳3和引腳4上安裝150 nH電感。

· 在T6封裝的引腳1和引腳3上安裝10 pF電容。

· 移除P18跳線。