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ADC驱动器或差分放大器设计汇总

作者:时间:2012-07-31来源:网络收藏

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/154258.htm

具有偏移型输入共模范围的一般最适合工作在单电源直流耦合系统中,这是因为输出共模电压通过反馈环路实现了分压,而且它的可变分量可以非常接近地,即负电压轨。当采用单端输入时,输入共模电压由于输入相关的纹波而更接近负电压轨。

采用双电源、单端或输入以及交流或直流耦合的系统通常可以采用任一种输入级电路,因为富余度增加了。

表2总结了在输入耦合和电源的各种组合方式下最常用的输入级电路类型。然而,这些选择未必总是最好的,应该对每个系统进行具体分析。

输出摆幅
为了最大化的动态范围,应该将它驱动到满输入范围。但需要注意:将驱动得太厉害可能有损输入电路,而驱动不够的话又会降低分辨率。将ADC驱动到满输入范围并不意味着输出幅度必须达到最大。输出的一个主要好处是每个输出幅度只需达到传统单端输出的一半。输出可以远离电源轨,从而减少失真。不过对单端驱动器来说没有这个好处。当驱动器输出电压接近电压轨时,将损失线性度,并引入失真。

对于对每一毫伏的输出电压都有要求的应用来说,表1显示相当多的ADC驱动器能够提供轨到轨输出,其典型富余量从几毫伏到几百毫伏不等,具体取决于负载。

harmonic distortion vs vocm

图13:采用5V电源的ADA4932在各种频率下的谐波失真与VOCM的关系。

图13是ADA4932在各种频率下的谐波失真与VOCM的关系图,是典型输出摆幅在每个轨1.2V内(富余量)确定的。输出摆幅是信号的VOCM与VPEAK之和(1V)。值得注意的是,失真在2.8V以上(3.8 VPEAK或5V往下1.2V)开始迅速增加。在低端,失真在2.2V(-1 VPEAK)时仍很低。同样的现象还将出现在带宽和压摆率的讨论中。

噪声
ADC的非理想特性包括量化噪声、电子或随机噪声和谐波失真。在大多数应用中重要的一点是,噪声通常是宽带系统中最重要的性能指标。

所有ADC内部都存在量化噪声,并且取决于位数n,n越大量化噪声就越小。因为即使“理想”转换器也有量化噪声,因此量化噪声可以用作比较随机噪声和谐波失真的基准。ADC驱动器的输出噪声应该接近或低于ADC的随机噪声和失真。下面先讨论ADC噪声和失真的特征,然后介绍如何衡量ADC驱动器噪声与ADC性能之间的关系。

量化噪声产生的原因是ADC将具有无限分辨率的模拟信号量化成有限数量的离散值。n位ADC有2n个二进制值。两个相邻值之间的差代表了可以分辨的最小差值,这个差值被称为量化等级的最低有效位(LSB),或q。因此一个量化等级等于转换器量程的1/2n。如果一个不断变化的电压经过一个完美的n位ADC转换,然后转换回模拟信号,再从ADC输入中减去这个信号,那么差值看起来就像噪声。它有一个公式21计算所得有效值(rms):

eq21
(21)

从这里可以得出n位ADC在其奈奎斯待带宽上的信号与量化噪声比的对数(dB)公式22,这也是n位转换器所能取得的最佳信噪比(SNR)。

ADC中的随机噪声包含了热噪声、散粒噪声和闪烁噪声,一般要大于量化噪声。由于ADC的非线性产生的谐波失真会在输出信号中产生与输入信号谐波有关的有害信号。总的谐波失真和噪声(THD+N)是一个重要的ADC性能参数,它衡量了电子噪声和谐波失真与接近ADC满量程输入范围的模拟输入信号之间的关系。电子噪声积分的带宽包括了所要考虑的最后一个谐波频率。THD中的“T”(ttotal,总和)包括了前五个谐波失真分量,是连同噪声一起的和的平方根,见公式23。

eq22
(22)
eq23
(23)

公式23中的v1是输入信号,v2到v6是前五个谐波失真分量,vn是ADC的电子噪声。(THD+噪声)的倒数被称为信号与噪声失真比,简称SINAD,通常用dB表示,见公式24。

eq24
(24)

如果SINAD被信号与量化噪声比代替(公式22),我们就能定义转换器具有的有效位数(ENOB),前提是这个转换器的信号与量化噪声比与SINAD相同(公式25)。

eq25
(25)

ENOB也能用SINAD项表达,见公式26。

eq26
(26)

ENOB可以用来比较ADC驱动器的噪声性能和ADC的噪声性能,进而判断是否适合驱动这个ADC。图14是一个ADC噪声模型。公式27表明了通常情况下当β1=β2≡β时,八个噪声源中每个源对总输出噪声密度的贡献。

noise model

图14:差分ADC驱动器的噪声模型。

公式27表明了通常情况下当β1=β2≡β时,八个噪声源中每个源对总输出噪声密度的贡献。

eq27
(27)


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