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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

50MHz时的二次谐波失真相对于2Vp-p输入信号来说大约是-88dBc。为了比较谐波失真水平和1 ENOB LSB,这个谐波失真值必须被转换成电压值,如公式33所示。

eq33
(33)

这个失真值只有80μVp-p,或1 ENOB LSB的16%。因此,从失真的角度看,可以认为ADA4939是AD9445 的很好选择。

由于是负反馈,输出失真取决于电路中的环路增益值。负反馈固有的开环失真将被减少1/(1+LG)倍,其中LG代表可用环路增益。

的输入(误差电压)被乘以一个大的前向电压增益A(s),然后通过反馈系数β传送到输入端,再通过调整输出使误差最小。这样,这类的环路增益为A(s)×β。随着环路增益(A(s), β或两者)的降低,谐波失真将增加。电压反馈放大器,如积分器,被在直流和低频率处具有大的A(s),然后随着1/f在规定高频点趋向于1而发生滚降。随着A(s)的滚降,环路增益下降,失真增加。因此谐波失真参数是A(s)的倒数。

电流反馈放大器将误差电流用作反馈信号。误差电流被乘以一个大的前向互阻T(s)而转换成输出电压,然后通过反馈系数1/RF将输出电压转换成反馈电流,以便使输入误差电流最小。因此理想的电流反馈放大器的环路增益是T(s)×(1/ RF)=T(s)/ RF。同A(s)一样,T(s)也有一个大的直流值,并随着频率的增加而滚降,从而降低环路增益,增加谐波失真。

环路增益还直接取决于反馈系数1/RF。理想电流反馈放大器的环路增益并不取决于闭环电压增益,因此谐波性能不会随着闭环增益的增加而下降。在实际的电流反馈放大器中,环路增益确实某种程度上取决于闭环增益,但不会达到电压反馈放大器中那样的程度。 因此对于高闭环增益和低失真的应用来说,电流反馈放大器,比如 ADA4927, 是比电压反馈放大器更好的选择。从图17可以看出随着闭环增益的增加失真性能保持得有多好。

distortion vs gain and frequency

图17:失真与频率和增益的关系。

带宽和压摆率
带宽和压摆率在应用中特别重要。一般情况下,器件的带宽是指小信号带宽,而压摆率衡量的是大信号摆幅时放大器输出端的最大变化率。

EUBW(有效可用带宽),一个类似于ENOB(有效位数)的首字母缩略词,用于描述带宽。许多ADC驱动器和运放自称有很宽的带宽指标,但并不是所有带宽都是可用的。例如,-3dB带宽是测量带宽的一种传统方法,但它并不意味着所有带宽是可用的。-3dB带宽的幅度和相位误差的使用比实际“截止”频率要早十年。那么什么是放大器的EUBW?如何确定它的大小?确定可用带宽的一个极好方法是查询数据手册上的失真图。

图18表明,为了使二次和三次谐波保持大于-80dBc,这个ADC驱动器不应用于超过60MHz的频率。由于每个应用都不尽相同,系统要求将成为具有足够带宽和足够失真性能的合适驱动器的选择准则。

ADA4937 distortion curves

图18:ADA4937电流反馈型ADC驱动器的失真曲线。

压摆率,一种大信号参数,指的是放大器输出在没有过高失真的情况下能够跟踪输入的最大变化率。以压摆率考虑正弦波输出:

eq34
(34)

公式34在过零点的导数(变化率)即最大变化率,它等于:

eq35
(35)

其中dv/dt max是压摆率,Vp是峰值电压,f等于满功率带宽(FPBW)。推算FPBW:

eq36
(36)

因此,在选择ADC驱动器时,重点要考虑增益、带宽和压摆率(FPBW),以确定放大器是否足够满足应用要求。

稳定性
关于ADC驱动器的稳定性考虑与运放是一样的,关键参数是相位余量。 虽然特定放大器配置的相位余量可以从数据手册中获取,但在实际系统中由于PCB版图中的寄生效应这个相位余量会有显著降低。

负电压反馈放大器的稳定性取决于其环路增益的大小和符号,A(s)×β。ADC驱动器要比典型的运放电路稍微复杂一点,因为它有两个反馈系数。在公式7和公式8的分母中可以见到环路增益。公式37提供了在反馈系数不匹配(β1≠β2)情况下的环路增益。

eq37
(37)

当反馈系数不匹配时,有效反馈系数是两个反馈系数的简单平均值。当它们匹配并被定义为β时,环路增益可以简化为A(s)×β。要想使反馈放大器稳定,其环路增益不允许等于-1(相当于相位偏移-180°、幅度为1)。对于电压反馈放大器来说,其开环增益频率图上环路增益值等于1(即0dB)的点正是A(s)值等于反馈系数倒数的地方。

对于基本的放大器应用,反馈是纯阻性的,在反馈环路中不会引入相位偏移。在反馈系数匹配的情况下,与频率无关的反馈系数倒数1+RF/RG通常被称为噪声增益。如果将以dB为单位的恒定噪声增益与开环增益A(s)绘制在同一张图上,那么两条曲线的交叉点就是环路增益为1或0dB的地方。在这个频率点的A(s)相位与-180°之间的差值被定义为相位余量。为了稳定工作,这个相位余量应大于或等于45°。图19给出了RF/RG=1(噪声增益=2)时ADA4932的单位环路增益点和相位余量。

open-loop gain-magnitude and phase vs frequency

图19:ADA4932开环增益幅度和相位与频率的关系。



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