ADI:16位10 MSPS ADC AD7626的單端轉差分高速驅動電子線路設計

電路特點

16位10MSPS PulSAR ADC

經(jīng)過優(yōu)化的單端至差分驅動器

輸入為2.4MHz時，SNR為88dB

電路功能

圖1所示電路可將高頻單端輸入信號轉換為平衡差分信號，用于驅動16位10 MSPS PulSAR® ADC AD7626。該電路采用低功耗差分放大器ADA4932-1 來驅動ADC，最大限度提升AD7626的高頻輸入信號音性能。此器件組合的真正優(yōu)勢在于低功耗、高性能。

AD7626具有突破業(yè)界標準的動態(tài)性能，在10 MSPS下信噪比為91.5 dB，實現(xiàn)16位INL性能，無延遲，LVDS接口，功耗僅有136 mW。AD7626使用SAR架構，主要特性是能夠以10 MSPS無延遲采樣，不會發(fā)生流水線式ADC常有的“流水線延遲”，同時具備出色的線性度。

ADA4932-1具有低失真(10 MHz時100 dB SFDR)、快速建立時間(9 ns達到0.1%)、高帶寬(560 MHz，-3 dB，G = 1)和低電流(9.6 mA)等特性，是驅動AD7626的理想選擇。它還能輕松設定所需的輸出共模電壓。

該組合提供了業(yè)界領先的動態(tài)性能并減小了電路板面積：AD7626采用5 mm × 5mm、32引腳LFCSP封裝，ADA4932 -1采用3mm× 3mm、16引腳LFCSP封裝)，AD8031 采用5引腳SOT23封裝。

電路描述

采用差分放大器成功驅動ADC需要正確平衡差分放大器的各端。

圖1顯示了ADA4932-1、AD7626和相關電路的原理圖。在使用的測試電路中，信號源之后配置有2.4 MHz帶通濾波器。該帶通濾波器能抑制2.4 MHz信號的諧波，并確保只有目標頻率的信號能夠通過并由ADA4932-1和AD7626進行處理。

本例中信號源的特性阻抗為50 Ω，通過帶通濾波器交流耦合到ADA4932-1。將信號源施加于ADA4932-1的正輸入時，要求信號源也以50 Ω正確端接(通常情況下任何源阻抗均可)。選中端接電阻R2，以使R2與ADA4932-1輸入阻抗的并聯(lián)組合等于50 Ω。

為使ADA4932-1的兩個輸入端保持適當平衡和對稱，與輸入源阻抗等效的戴維南阻抗和端阻抗必須添加到反相輸入端。在這種情況下，就涉及到濾波器的交流特性。

如圖1所示，戴維南等效網(wǎng)絡顯示在ADA4932-1的反相輸入端。頻率為2.4 MHz時，此電路性能得到優(yōu)化。C1和R4串聯(lián)組合后，與電阻R1并聯(lián)。頻率為2.4 MHz時，C1和R4的復合串聯(lián)組合等于55.6 Ω。與R1并聯(lián)的55.6 Ω阻抗與戴維南等效電路在同相輸入端的輸入阻抗只有幾歐姆之差。兩個輸入的匹配可確保輸出對稱、均衡且經(jīng)過優(yōu)化，可實現(xiàn)最低失真。

有關單端輸入端接方法的詳細說明，請參閱應用筆記AN-1026“高速差分ADC驅動器設計考慮”。此外，ADI公司DiffAmpCalcuator™設計工具大大簡化了這一操作，并針對與差分放大器設計有關的其他問題提供了獨到見解。

ADA4932-1差分驅動器的增益配置約為1(單端輸入至差分輸出)。由于50 Ω信號源以及在ADA4932-1輸入端匹配的端阻抗的作用，相對于戴維南等效信號源電壓，通道的凈總增益大約為0.5。

使用配置為單位增益緩沖器的AD8031來緩沖AD7626的VCM輸出電壓(標稱+2.048 V)，即可設定ADA4932-1輸出的共模電壓。AD8031為ADA4932-1 VOCM引腳提供低源阻抗，并能驅動大型旁路電容，如圖1所示。

當驅動AD7626(帶開關電容輸入的10 MSPS ADC)的高頻輸入時，ADA4932-1的作用尤其顯著。ADA4932-1和AD7626 的IN+和IN-引腳之間的電阻(R8、R9)和電容(C5、C6)電路可充當?shù)屯ㄔ肼暈V波器。該濾波器限制了AD7626的輸入帶寬，但其主要功能是優(yōu)化驅動放大器和AD7626之間的接口。串聯(lián)電阻將驅動放大器與ADC開關電容器前端的高頻開關尖峰隔離。AD7626數(shù)據(jù)手冊顯示了20 Ω和56 pF的值。在圖1所示電路中，這些值根據(jù)實際應用優(yōu)化為33 Ω和56 pF。若要針對轉換中的電路和輸入頻率對電阻-電容組合進行略微優(yōu)化，只需改變R-C組合即可。但是切記，若組合不當，將限制AD7626的總諧波失真(THD)和線性度性能。此外，ADC帶寬的增加會引起更多噪聲。

ADA4932-1電源電壓的選擇也得到了優(yōu)化。在電路中，對應于4.096V的內(nèi)部基準電壓，AD7626的輸出共模電壓(VCM引腳)為 2.048 V，每個輸入(IN+、IN-)在0 V和+4.096 V之間擺幅，發(fā)生180°錯相，這提供了ADC的8.2 V滿量程差分輸入。對于線性運算的每個電源電壓，ADA4932-1輸出級需要大約1.4 V的裕量。當電源電壓關于共模電壓大致對稱時，能獲得最佳失真性能。如果選定-2.5 V負電源，則至少需要大約+6.5 V正電源才能關于2.048V共模電壓對稱。

實驗表明，+7.25 V正電源可為2.4 MHz信號音提供最佳的總失真性能。

使用低抖動時鐘源和AD7626的單音-1 dBFS幅度2.402 MHz輸入，可產(chǎn)生圖2所示的FFT結果：信噪比為88.49 dB，總諧波失真為-86.17 dBc。從圖中可以看到，基波的諧波重新混疊到通帶。例如，采樣率為10 MSPS時，三次諧波(7.206 MHz)會在10.000 MHz-7.206 MHz = 2.794 MHz混疊到通帶。圖3所示為-6 dBfs幅度信號音的第二個FFT坐標圖。

圖2. AD7626輸出，64，000點，F(xiàn)FT坐標圖，-1 dBFS幅度，2.40173 MHz的輸入信號音，10.000 MSPS采樣率

圖3. AD7626輸出，64，000點，F(xiàn)FT坐標圖，-6 dBFS幅度，2.40173 MHz輸入信號音，10.000 MSPS采樣率

計算信噪比和總諧波失真時，用整個奈奎斯特帶寬的平均噪聲取代了電路所用帶通濾波器的通帶準許通過的非諧波噪聲。

該電路或任何高速電路的性能都高度依賴于適當?shù)腜CB布局，包括但不限于電源旁路、受控阻抗線路(如需要)、元件放置、信號路由以及電源層和接地層。(有關PCB布局的詳細信息，請參見MT-031教程， MT-101教程 和高速印刷電路板布局實用指南一文。)[!--empirenews.page--]

AD7626—典型連接和基準電壓配置

AD7626的典型連接圖。AD7626集成一個內(nèi)部基準電壓源，還可根據(jù)系統(tǒng)要求提供兩個外部基準電壓源。將 ADR280基準輸出(1.2 V)施加到REFIN引腳可產(chǎn)生基準電壓，然后由片內(nèi)基準電壓緩沖內(nèi)部放大到正確的ADC基準電壓4.096 V。ADR280可由用于AD7626的同一5 V模擬供電軌供電，同時使用片內(nèi)基準電壓緩沖?；蛘?，也可以將4.096 V外部基準電壓(ADR434 或 ADR444) )施加到ADC的非緩沖REF輸入。此做法在多通道應用中很常見，在此類應用中，系統(tǒng)基準電壓通常是分立緩沖的(使用AD8031)，并且由所有ADC通道共享。ADR434和ADR444的配置也極其適用于單通道應用，此類應用需要較低的基準電壓源溫度系數(shù)(ADR434B和ADR444B最大為3 ppm/°C)。用于為放大器ADA4932-1供電的正供電軌也能為ADR434或ADR444的VIN電源引腳供電。

電路常見變化

經(jīng)驗證，采用圖中所示的元件值，該電路能夠穩(wěn)定地工作，并具有良好的精度。雖然此電路為直流耦合，但應用于交流耦合也很常見。該電路的常見變化包括單電源電壓、以差分方式驅動的輸入以及需要信號衰減的輸入。其它ADC驅動/差分放大器也可用于根據(jù)具體應用調(diào)整性能(如功率、噪聲、帶寬、架構等)。

如AD7626數(shù)據(jù)手冊所示，當輸入頻率為1MHz或更低時，推薦使用驅動放大器ADA4899-1。如數(shù)據(jù)手冊中AD7626典型工作特性一節(jié)的高頻坐標圖所示，使用ADA4938-1可通過最高達10 MHZ的高速信號有效驅動AD7626。