精密SAR模数转换器的前端放大器和RC滤波器设计

RC带宽对于确定放大器的最大容许噪声量十分重要。放大器噪声一般通过低频1/f噪声(0.1 Hz至10  Hz)和高频时的宽带噪声谱密度(图7所示噪声曲线的平坦部分)来规定。

图7. ADA4084-2电压噪声与频率的关系

折合到ADC输入端的总噪声可以按照如下方法计算。首先，计算放大器宽带频谱密度在RC带宽上的噪声。

其中， en = 噪声频谱密度(V/√Hz), N = 放大器电路噪声增益， BWRC = R带宽(Hz)。.

然后，通常通过下式计算低频1/f噪声;它通常指定为峰峰值，需要转换为均方根值。

其中，

= 1/f峰峰值噪声电压，N = 放大器电路噪声增益。

总噪声为以上两个噪声的和方根：

为将驱动器噪声对总SNR的影响降至最低，此总噪声应为ADC噪声的1⁄10左右。根据目标系统的SNR要求，可能还允许更高的噪声。例如，如果ADC的SNR为91  dB， VREF= 5 V，则总噪声应小于或等于

由此值很容易算出1/f噪声和宽带噪声谱密度的最大允许值。假设拟用的放大器具有可忽略不计的1/f噪声，以单位增益工作，并采用RC带宽为上例计算值(3.11  MHz)的滤波器，那么

因此，该放大器的宽带噪声谱密度必须小于或等于2.26 nV/√Hz。ADA4841-1的宽带噪声谱密度为2.1 nV/√Hz，符合这一要求。

放大器需要考虑的另一个重要特性是特定输入频率时的失真。通常，为获得最佳性能，16位ADC需要大约100  dB的总谐波失真(THD)，18位ADC需要大约110 dB。图8显示对于2 V p-p输入信号，ADA4841-1的典型失真与频率的关系图。

图8. ADA4841-1的失真与频率的关系

图中显示的不是总谐波失真，而是一般最为重要的二次和三次谐波成分。ADA4841-1的噪声非常小，失真特性优异，足以驱动18位ADC到大约30  kHz。当输入频率接近100 kHz或更高时，失真性能开始下降。为在高频时实现低失真，需要使用功耗更高、带宽更宽的放大器。较大的信号也会降低性能。对于0 V至5  V的ADC输入，失真性能信号范围将提高到5 V  p-p。从图8所示的失真图可看出，这将产生不同的性能，因此放大器可能需要测试，以确保它满足要求。图9比较了多个输出电压水平的失真性能。

图9. 不同输出电压水平下失真与频率的关系

裕量，即放大器最大实际输入/输出摆幅与正负电轨之差，也可能影响THD。放大器可能具有轨到轨输入和/或输出，或者要求最高1  V甚至更大的裕量。即便是轨到轨输入/输出，如果工作信号电平接近放大器的供电轨，也将难以获得良好的失真性能。因此，最好应选择让最大输入/输出信号远离供电轨的电源电平。考虑一个0  V至5 V输入范围的ADC，采用ADA4841-1放大器驱动，需要将ADC的范围提高到最大。该放大器具有轨到轨输出，对输入有1  V的裕量要求。如果用作单位增益放大器，则至少需要1 V的输入裕量，正电源至少必须是6 V。输出为轨到轨，但仍然只能驱动到地或正供电轨的大约25  mV范围内，因而需要一个负供电轨，以便一直驱动到地。为了给失真性能留有一定的裕量，负供电轨可以是–1 V。

如果允许降低ADC输入范围，从而丧失一定的SNR，则可以消除负电源。例如，如果ADC的输入范围降为0.5 V至5 V，此10%损失将导致SNR降低大约1  dB。然而，这样就可以将负供电轨接地，从而消除用以产生负电源的电路，降低功耗和成本。

因此，选择放大器时，务必考虑输入和输出信号范围要求，以便确定所需的电源电压。本例中，额定工作电压为5  V的放大器不能满足要求;但ADA4841-1的额定电压高达12 V，所以使用较高的电源电压将能实现出色的性能，并提供充足的电源裕量。

关于特殊器件的附加信息

具有轨到轨输出的低功耗、低噪声、低失真运算放大器

ADA4841-1低功耗运算放大器提供 2-nV/√Hz 宽带噪声和–110 dBc无杂散动态范围(SFDR)，非常适合驱动16位和18位PulSAR®  ADC，适用于便携式仪器仪表、工业过程控制和医疗设备。该单位增益稳定型放大器的特性包括：60 μV输入失调电压、114 dB开环增益、114 dB共模抑制、80  MHz带宽(–3 dB)、12 V/µs压摆率和175 ns的0.1%建立时间。输入信号范围可扩展至负供电轨以下100 mV，输出摆幅可以达到任一供电轨的100  mV范围内，从而提供单电源工作能力。ADA4841-1可采用2.7 V至12 V单电源或±1.5 V至±6 V双电源供电，正常模式下的功耗为1.1  mA，掉电模式下为40 μA。它采用8引脚SOIC封装，额定温度范围为–40°C至+125°C，千片订量报价为1.59美元/片。