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ADC驱动器或差分放大器设计指南

作者:时间:2010-11-02来源:网络收藏

总输出噪声电压密度vno, dm是通过计算这些分量的和平方根得到的。将这些公式输入电子表格是计算总输出噪声电压密度的最好方式。ADI公司网站上还新推出了ADI计算器(参考文献3),用它能快速计算噪声、增益和的其它参数值。

现在可以将的噪声性能与的ENOB作一比较。描述这一过程的例子是为采用5V电源工作的AD9445 ADC选择和评估一款增益为2、2V满量程输入的。它能处理用一个单极点滤波器限制、占用50MHz(-3dB)带宽的直接耦合宽带信号。从数据手册中记载的各种条件下的ENOB参数列表中可以发现:对应50MHz的奈奎斯特带宽,ENOB=12位。

ADA4939 是一款能够被直接耦合的高性能宽带差分ADC驱动器。在噪声性能方面它是驱动AD9445的合适产品吗?ADA4939数据手册针对近似为2的差分增益推荐的RF =402Ω、RG=200Ω,数据手册给出的这种情况下的总输出电压噪声密度为9.7nV/Hz。首先计算给定恒定输入噪声功率谱密度下的系统噪声带宽BN,它是输出与决定系统带宽的实际滤波器相同噪声功率的等效矩形低通滤波器的带宽。对于一个单极滤波器,BN等于π/2乘以3dB带宽,如公式28所示。

eq28
(28)

然后在系统带宽的平方根内对噪声密度进行积分,得到输出噪声有效值(公式29)。

eq29
(29)

假定噪声幅度呈高斯分布,那么峰峰值噪声的计算可以使用常见的±3σ门限(在99.7%的时间内噪声电压摆幅位于这些门限之间),见公式30:

eq30
(30)

现在可以在12位ENOB、2V满量程输入范围基础上对驱动器的峰峰输出噪声和AD9445 LSB的1 LSB电压进行比较,其中LSB的计算见公式31。

eq31
(31)

相对于12位ENOB,驱动器的峰峰输出噪声与ADC的LSB具有可比性。因此从噪声角度看,ADA4939驱动器非常适合这种应用。最终还必须通过搭建和测试驱动器/ADC组合作出决定。

电源电压
考虑电源电压和电流是缩小ADC驱动器选择范围的快速途径。表1提供了不同电源电压下ADC驱动器性能的快速查找表。电源电压会影响带宽、信号摆幅和ICMVR。衡量这些指标并进行反复权衡对差分的选择而言至关重要。

电源抑制(PSR)是另外一个重要的参数。作为输入的电源引脚的作用经常被人忽视。电源线上或耦合进电源线的任何噪声对输出信号都有潜在的破坏作用。

考虑ADA4937-1的电源线上存在60MHz、50mVp-p的噪声这样一个例子。它的PSR在50MHz时是-70dB,这意味着电源线上的噪声在输出端将被减少到约16μV。在1V满量程输入的16位系统中,1 LSB是15.3μV,因此电源线上的这个噪声将“淹没”LSB。

这种情况可以通过增加串联表贴铁氧体磁珠L1/L2和并联旁路电容C1/C2(图15)加以改进。

power supply bypassing

图15:电源旁路电路。

在50MHz时,磁珠的阻抗是60Ω,10nF(0.01μF)电容的阻抗是0.32Ω,由这两种元件组成的衰减器可以提供45.5dB的衰减(公式32)。

eq32
(32)

上述分压式衰减加上-70dB的PSR总共可提供115dB的抑制效果,因而可将噪声减小到远低于1 LSB的90nVp-p左右。

谐波失真
频域中的低谐波失真在窄带和宽带系统中都很重要。驱动器中的非线性会在输出端产生单频谐波失真和多频互调失真。

在噪声分析例子中使用的方法可以同样应用于失真分析,即对ADA4939的谐波失真与2V满量程输出时AD9445 12位ENOB的1 LSB进行比较。一个ENOB LSB在噪声分析中代表488μV。

ADA4939参数表中的失真数据是在增益为2时给出的值,通过这张表可以直观地比较各个频率点的二次和三次谐波失真。表3就是增益为2、差分输出摆幅为2Vp-p时的谐波失真数据。

表3:ADA4939的二次和三次谐波失真。

参数谐波失真
HD2 @ 10 MHz–102 dBc
HD2 @ 70 MHz–83 dBc
HD2 @ 70 MHz–83 dBc
HD2 @ 100 MHz–77 dBc
HD3 @ 10 MHz–101 dBc
HD3 @ 70 MHz–97 dBc
HD3 @ 100 MHz–91 dBc

这些数据表明,谐波失真随频率增加而增加,并且在感兴趣带宽(50MHz)内二次谐波失真要比三次谐波失真糟糕。在比感兴趣频率更高的频率点的谐波失真值较高,因此它们的幅度可能被系统频带限制功能所降低。如果系统有一个50MHz的砖墙式滤波器,那么就只需要考虑超过25MHz的频率点,因为更高频率的所有谐波将被滤波器滤除。尽管如此,我们还是要评估频率最高为50MHz的系统,因为目前的所有滤波器对谐波的抑制可能都不够,失真分量可能混叠回信号带宽内。图16给出了ADA4939在各种电源电压和2Vp-p输出时的谐波失真与频率的关系。

harmonic distortion vs frequency

图16:谐波失真与频率的关系。



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