第第頁低噪聲的精準(zhǔn)運放驅(qū)動高分辨率SARADC

：ErjonQirko,KrisLokere（AnalogDevices公司）

引言

LT6018是一款具超低失真(在1kHz為–115dB)的超低噪聲(在1kHz為1.2nV/√Hz)運算放大器。該器件擁有15MHz的增益帶寬積、50μV的最大失調(diào)電壓和0.5μV/°C的最大失調(diào)電壓漂移。這種特性組合使之適合于驅(qū)動多種高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。當(dāng)采用LT6018驅(qū)動高速18位和20位逐次逼近寄存器(SAR)ADC時，怎樣實現(xiàn)最佳的信噪比(SNR)和總諧波失真(THD)呢?本“設(shè)計要點”給出了相應(yīng)的電路和優(yōu)化策略。

超線性20位ADC

圖1示出了DC2135A演示電路的一處修改，用LT1068(替換了LT1468)驅(qū)動LTC2378-2020位SARADC。LTC2378-20因其無可比擬的2ppm線性性能而引人注目。在保持線性度的同時產(chǎn)生一個差分信號的最佳方法是在該演示板所使用的LT5400中采用精準(zhǔn)的匹配電阻器。圖1所示電路的詳細(xì)工作原理請見“設(shè)計要點1032”(在該設(shè)計要點中是用LT1468驅(qū)動LTC2377-20)。

圖1：DC2135A演示板設(shè)置

如欲測量該電路的線性度，則把一個超純正弦波饋入輸入端，并在輸出端計算FFT。最終的THD測量值充當(dāng)電路INL(積分非線性)性能的代表。在800kHz的ADC采樣速率下，我們使用一個約100Hz的輸入頻率(略作調(diào)整以確保相干采樣，從而放寬FFT數(shù)值限制)。

原來的演示電路包括一個緊接在運放之后的RC低通濾波器，以濾除過量的高頻噪聲。LT6018的噪聲密度甚至在高頻條件下也保持在相對較低的水平，因此去掉這個濾波器對總噪聲的影響可以忽略不計。如果沒有該濾波器，則線性度(按THD來衡量)顯著地改善，這是因為單端至差分轉(zhuǎn)換現(xiàn)在完全受控于LT5400中的精確匹配電阻器，不會受到任何匹配不佳的分立組件的損壞。

LT6018的低噪聲密度使其適合需要增益的電路。當(dāng)配置在增益為10的情況下，信號強(qiáng)度增加20dB，而SNR下降2dB(相對于全標(biāo)度)。如果輸入信號很小，則這種布置可使有效信噪比改善18dB。正如預(yù)料的那樣，線性度的降幅與放大器環(huán)路增益相同，即大約20dB。

結(jié)果歸納于表1。

表1：LT6018驅(qū)動LTC2378-20的SNR和THD結(jié)果

驅(qū)動一個高速18位ADC

LTC2387-18是一款采樣速率可高達(dá)15Msps的18位SARADC。在該采樣速率下，ADC的內(nèi)部采樣電容器連接至放大器輸出端的持續(xù)時間少于30ns(“采集時間”)。在這段時間里，放大器(和濾波器)電路必須從電荷回踢狀態(tài)恢復(fù)并補(bǔ)充采樣電容器的電荷，于是ADC能夠在下一個轉(zhuǎn)換周期測量正確的輸入電壓。放大器和濾波器網(wǎng)絡(luò)的謹(jǐn)慎優(yōu)化是有必要的。

在圖2中，兩個LT6018被配置為單位增益跟隨器，并連接至LTC2387-18演示板，該演示板在ADC輸入端布設(shè)了濾波電阻器和電容器。

圖2：LT6018驅(qū)動LTC2387-18(采用DC2290A-A演示板)

表2列出了SNR和THD結(jié)果，測量條件是：在輸入端饋入一個1.008kHz的純正弦波，而ADC的相干采樣速率為14.680Msps。第一個表項給出的是采用LT6200放大器(一款非常高速的低噪聲運放)時的結(jié)果。濾波器配置是大約200MHz的演示板默認(rèn)帶寬。這提供了ADC電荷回踢的完全穩(wěn)定，從而獲得–120dB的卓越THD指標(biāo)。不過，SNR比ADC的96dB能力低2dB。

表2：LT6018驅(qū)動LTC2387-18的SNR和THD結(jié)果

LT6018的帶寬低于LT6200，但是DC準(zhǔn)確度(失調(diào)和漂移)則好得多。然而，把LT6018插入和LT6200相同的配置卻顯著地降低了SNR和THD性能。SNR指標(biāo)下降的原因是：與低于其帶寬的時候相比，在高于其帶寬的情況下放大器噪聲密度會較高，而且該噪聲如果未被濾除則將混疊到ADC中。THD指標(biāo)的劣化則是因為速度較慢的放大器在遭受大量的ADC電荷回踢之沖擊時不會完全地穩(wěn)定，并且把非線性殘余物留給ADC去進(jìn)行數(shù)字化處理。

我們可以通過增加電阻器和電容器的數(shù)值，以及在兩個ADC輸入之間布設(shè)一個差分電容器來濾除寬帶放大器噪聲。這么做可把SNR一直改善到該ADC的理論最大值96dB，這意味著積分放大器噪聲已變得可忽略不計。此外，通過使濾波器配置向采用較小串聯(lián)電阻器和較大電容器的方向傾斜，可減弱電荷回踢的初始影響，從而改善THD性能(遠(yuǎn)低于–100dB)。

結(jié)論

新式SARADC組合了低噪聲與高線性度和精準(zhǔn)的DC偏移準(zhǔn)確度。實現(xiàn)這些性能指標(biāo)需要采用一個具有同樣好的DC規(guī)格參數(shù)、低噪聲和充足帶寬的放大器，比如LT6018。借助中等速度ADC(例如：1Msps20位LTC2378-20)，LT6018結(jié)合精準(zhǔn)匹配的LT5400電阻器能夠產(chǎn)生一