真雙極性輸入、全差分輸出ADC驅(qū)動(dòng)器電路設(shè)計(jì)方案

數(shù)據(jù)采集和通用測(cè)試測(cè)量設(shè)備中使用的精密信號(hào)鏈必須適應(yīng)寬廣的輸入電平范圍。信號(hào)鏈可能需要提供高輸入阻抗，同時(shí)支持增益和衰減，并調(diào)整共模電平以確保信號(hào)落在ADC的適當(dāng)輸入范圍內(nèi)。

圖1中的原理圖顯示了兩級(jí)信號(hào)調(diào)理，它能調(diào)整差分雙極性±10 V輸入信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為 ADC所需的共模電平為 2.048 V的全差分±4.096 V信號(hào)。設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)上述調(diào)理，同時(shí)不降低ADC的噪聲和失真性能。ADC 驅(qū)動(dòng)器需要的電源電壓通常超過(guò) ADC 的輸入范圍，從而為輸入和輸出擺幅電壓提供一定的裕量。驅(qū)動(dòng)器通常必須調(diào)整并轉(zhuǎn)換第一級(jí)輸出電壓，使之匹配ADC的輸入電壓范圍（例如，將真雙極性差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為擺幅為從地到VREF的差分信號(hào)）。

圖 1. 雙極性輸入、全差分輸出 ADC 驅(qū)動(dòng)器的 LTspice 原理圖

圖1中的原理圖通過(guò)LTspice創(chuàng)建，LTspice一款高性能SPICE III仿真軟件、原理圖采集工具和波形查看器，集成增強(qiáng)功能和模型，簡(jiǎn)化了開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器、線性穩(wěn)壓器和信號(hào)鏈電路的仿真。有關(guān)圖1所示器件的更多信息，請(qǐng)參閱 LTC6373 、 ADA4945-1 和LTC2387-18數(shù)據(jù)手冊(cè)。

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主要設(shè)計(jì)規(guī)格

對(duì)于±10 V的真雙極性輸入信號(hào)范圍，主要設(shè)計(jì)規(guī)格如表1所示。對(duì)于差分±10 V峰值正弦波，該電路可輸出±4.096 V差分信號(hào)。

表 1. 設(shè)計(jì)目標(biāo)主要規(guī)格

設(shè)計(jì)說(shuō)明

該電路是一個(gè)ADC驅(qū)動(dòng)器電路，具有非常高的輸入阻抗，并且可以定制以驅(qū)動(dòng)較寬的輸入電壓，包括單端和差分。該電路的輸出信號(hào)能夠驅(qū)動(dòng)采集時(shí)間小于30 ns的ADC。同時(shí)，該電路還能保持優(yōu)化的噪聲和失真性能。圖1中的電路由以下器件組成：LTC6373可編程增益儀表放大器，用作輸入級(jí)；ADA4945-1全差分放大器(FDA)，用作第二級(jí)ADC驅(qū)動(dòng)器；以及18位、15 MSPS ADC LTC2387-18。此外，在LTC6373輸出端和ADA4945-1輸入端之間有一個(gè)100 kHz濾波器，用于降低噪聲，并且在ADA4945-1輸出端和LTC2387-18輸入端之間有一個(gè)毛刺抑制/降噪濾波器。LTC6373配置為差分放大器，其增益為0.5，輸出共模電壓為2.048 V。ADA4945-1配置為衰減差分動(dòng)器，其增益為0.8。ADA4945-1 具有 2.048 V 的輸出共模電壓，與LTC2387-18輸入范圍兼容。LTC2387-18各輸入端的輸入信號(hào)范圍為0 V至4.096 V，因此使用4.096 V內(nèi)部基準(zhǔn)電壓時(shí)，差分輸入信號(hào)范圍為±4.096 V。

設(shè)計(jì)技巧

如果需要更大或更小的信號(hào)范圍，可以改變LTC6373的增益和RF/RG的比率。例如，如果需要±100 mV的信號(hào)范圍，可以增加RF，而RG保持原始值不變?？梢允褂孟率絹?lái)重新計(jì)算RF：

其中：

由于ADA4945-1的具備更高的增益帶寬積，因此建議提高該器件的增益，而不提高LTC6373的增益。

由R5、C6、R6和C7組成的濾波器會(huì)降低ADA4945-1的帶寬。較低帶寬導(dǎo)致LTC2387-18輸入端的噪聲較低。C6和C7的值通過(guò)試驗(yàn)方式確定，即逐漸增加其值，直到SNR停止改善為止。

由電阻R7、R8和電容C4、C5組成的濾波器有助于將ADA4945-1輸出與ADC輸入（如果未緩沖的話）產(chǎn)生的采樣毛刺隔離開(kāi)來(lái)。它會(huì)限制提供給ADC輸入的信號(hào)帶寬，并有助于降低ADC輸入端的噪聲。

如果驅(qū)動(dòng)器和ADC之間的濾波器沒(méi)有時(shí)間來(lái)完成建立，則會(huì)產(chǎn)生增益誤差。根據(jù)具體應(yīng)用，很小的增益誤差可能是可以容忍的，但無(wú)法建立也可能導(dǎo)致失真，必須避免這種情況?？衫镁蹵DC驅(qū)動(dòng)器工具來(lái)檢查濾波器建立并估算電路SNR和THD性能。

設(shè)計(jì)步驟

初始條件和假設(shè)

LTC6373的電源設(shè)置為±15 V，ADA4945-1的電源設(shè)置為+5 V/?1 V。假設(shè)輸入范圍為20 V p-p (±10 V)，輸出范圍為8.192 V p-p（進(jìn)入ADC），則分布在模擬前端(AFE)上的總增益為：

留一些裕量以適應(yīng)器件容差和共模的微小變化，總增益目標(biāo)設(shè)置為0.4 V/V。LTC6373支持固定的增益值選擇：{0.25, 0.5, 1, 2, ..., 16}。兩級(jí)的增益均選擇小于1的值，以支持ADA4945-1使用較小的電源范圍，并降低每級(jí)的噪聲增益。將LTC6373的增益設(shè)置為0.5，這導(dǎo)致ADA4945-1的增益為0.8。

LTC6373和ADA4945-1的共模電壓均設(shè)置為2.048 V。

圖 2. ADA4945-1 的電路定義

對(duì)于 ADC (LTC2387-18)，將滿量程輸入設(shè)置為±4.096 V，VREF = 4.096 V，±VFS =±4.096 V。

設(shè)置驅(qū)動(dòng)放大器(ADA4945-1) VOCM。將VOCM偏置為4.096 V/2 = 2.048 V。根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)輸出共模要求檢查此電壓。

對(duì)于此應(yīng)用，

其中， VOCM 在允許的范圍內(nèi)。VOCM 由LTC2387-18的VOCM引腳提供。

設(shè)置輸入放大器(LTC6373)的輸入和輸出限值。增益設(shè)置為 0.5，故輸出擺幅為

輸出擺幅為

對(duì)于反轉(zhuǎn)信號(hào)極性，只需簡(jiǎn)單地反轉(zhuǎn)±DIN的值（0.452 V，?4.548 V）。

圖3顯示了增益為0.5的LTC6373的輸入和輸出擺幅限制。檢查VS = ±15 V曲線，可以看出，當(dāng)輸入共模電壓為2.048 V且輸出差分電壓擺幅為±4.548 V時(shí)，LTC6373能夠輕松支持這種應(yīng)用。但是，如果使用±5 V電源，LTC6373可能會(huì)在其差分輸出電壓范圍之外工作。數(shù)據(jù)手冊(cè)中提供了LTC6373所有增益下的共模范圍與差分輸出電壓的關(guān)系曲線。

LTC6373的VOCM也通過(guò)LTC2387-18的VOCM引腳設(shè)置為2.048 V，從而不必產(chǎn)生另一個(gè)偏置點(diǎn)。

圖 3. 輸入共模范圍與差分輸出電壓的關(guān)系

按照以下說(shuō)明設(shè)置放大器增益：

對(duì)于此應(yīng)用，

為獲得優(yōu)化噪聲性能，ADA4945-1數(shù)據(jù)手冊(cè)建議在單位增益設(shè)置中RF和RG為499 Ω。在本例中，將RG調(diào)整為402 Ω以獲得所需的增益。RG由49.9 Ω和453 Ω電阻提供。如果THD比SNR更重要，則RG可使用2 kΩ，RF可使用1.62 kΩ，這樣THD有望提高3 dB，但SNR會(huì)降低4 dB。

設(shè)置驅(qū)動(dòng)放大器(ADA4945-1)的輸出擺幅。由于驅(qū)動(dòng)放大器的差分輸出擺幅約為VOCM，因此觀察+VFS時(shí)，運(yùn)算放大器輸出就是?VFS的反向電壓。VREF (4.096 V)會(huì)用于該范圍，不過(guò)受電路增益限制，實(shí)際最大范圍為4 V。對(duì)于此應(yīng)用，ADA4945-1輸出必須能夠在0.0 V至4.096 V范圍內(nèi)擺動(dòng)。

對(duì)于VOUTdm = +VFS，

根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)中的電源軌要求檢查驅(qū)動(dòng)放大器(ADA4945-1)的輸出電壓擺幅。

根據(jù) ADA4945-1 數(shù)據(jù)手冊(cè)，在 1 kΩ 負(fù)載下，

對(duì)于此應(yīng)用，

設(shè)置驅(qū)動(dòng)放大器(ADA4945-1)的輸入擺幅。

對(duì)于 VOUTdm = +VFS，輸入共模電壓計(jì)算如下：

對(duì)于 VOUTdm = ?VFS，輸入共模電壓計(jì)算如下：

對(duì)于此應(yīng)用，ADA4945-1 輸入必須能夠在 2.02 V至 2.07 V 范圍內(nèi)擺動(dòng)。

檢查驅(qū)動(dòng)放大器(ADA4945-1)的輸入共模電壓。根據(jù) ADA4945-1 數(shù)據(jù)手冊(cè)，

滿足數(shù)據(jù)手冊(cè)要求。對(duì)于此應(yīng)用，

滿足應(yīng)用要求。

設(shè)計(jì)仿真

精密ADC驅(qū)動(dòng)器工具提供專門(mén)的仿真環(huán)境，在此環(huán)境中工程師可以快速確定驅(qū)動(dòng)放大器和R-C濾波器選擇對(duì)ADC信號(hào)鏈總體性能的影響。

使用圖4所示的精密ADC驅(qū)動(dòng)器工具估算建立時(shí)間、噪聲和THD性能。精密ADC驅(qū)動(dòng)器工具目前不允許將 LTC6373 添加到原理圖中，因此僅對(duì)驅(qū)動(dòng)LTC2387-18的ADA4945-1性能進(jìn)行仿真。驅(qū)動(dòng)器工具建議最小電源電壓為+4.6 V和?0.5 V。驅(qū)動(dòng)器工具還提供警示信息，即所選驅(qū)動(dòng)器會(huì)顯著降低整體噪聲性能。RF和RG是驅(qū)動(dòng)器噪聲的最大來(lái)源。驅(qū)動(dòng)器工具不允許如應(yīng)用中所示在RF兩端添加電容。（因?yàn)楦咚俚腁DC驅(qū)動(dòng)器有很多是電流反饋型放大器，在反饋電阻上增加電容會(huì)導(dǎo)致振蕩），但在本應(yīng)用中在RF兩端增加的電容則會(huì)降低驅(qū)動(dòng)器噪聲，因?yàn)锳DA4945是電壓反饋型放大器。表2總結(jié)了設(shè)計(jì)目標(biāo)與仿真結(jié)果。

表 2. 設(shè)計(jì)目標(biāo)與仿真

圖4. 精密 ADC 驅(qū)動(dòng)器工具：噪聲和 THD 結(jié)果

測(cè)量結(jié)果

測(cè)得的ADC SNR性能比ADA4945-1數(shù)據(jù)手冊(cè)的典型值?95.7 dB低0.4 dB，THD性能比數(shù)據(jù)手冊(cè)的典型值?117 dB低3.8 dB，如圖5所示。

圖 5. 圖 1 電路的實(shí)測(cè)性能

表3總結(jié)了設(shè)計(jì)目標(biāo)與仿真結(jié)果。將ADA4945-1 RG增加至2 kΩ，并將RF增加至1.62 kΩ，THD性能有望提高3 dB。根據(jù)ADC驅(qū)動(dòng)器工具，這將導(dǎo)致SNR性能下降4 dB。THD和SNR性能哪一個(gè)更重要，須由用戶決定。所有數(shù)據(jù)均以14 MSPS的數(shù)據(jù)速率采集。在15 MSPS時(shí)，由于ADC采集周期較短，THD顯著降低。

表 3. 設(shè)計(jì)目標(biāo)與測(cè)量結(jié)果

如圖6所示，當(dāng)輸入頻率高于15 kHz時(shí)，THD超過(guò)?100 dB。當(dāng)輸入頻率高于90 kHz時(shí)，SNR低于90 dB。該數(shù)據(jù)是在25°C時(shí)測(cè)得的。在更低或更高的溫度下，性能可能會(huì)更早地開(kāi)始下降。電路處理的變化也可能導(dǎo)致性能開(kāi)始下降的電壓不同。