1、Front-End design for ADC testMara2ADC 典型特征测试设置ADI 高速高性能ADC典型测试设置3Analog input在进行高性能ADC测试时，由于信号发生器的谐波性能一般没有ADC固有线性度好，目前市面上很难找到一款性能出色地信号发生器，所以一般做法是用滤波器来滤除信号发生器存在的谐波及杂散成分。TTE filter4Input range在采用Band-pass filter做滤波器时，在滤波器通带外的信号会被衰减，包括DC。而单极性ADC的reference 通常是0VCCA,所以在滤波器后还需要Couple DC(VCM)。AD7266 12bit
2、SAR ADC in DC-Coupled Differential and Single-Ended Applications5单端信号转差分信号采用放大器转换采用变压器转换6采用变压器转差分电路7采用放大器转换电路8放大器和变压器区别放大器是有源器件，而变压器是无源器件。放大器和其它所有的有源器件一样，消耗功率并且产生噪声。变压器不消耗功率并且产生的噪声可以忽略不计。两者都涉及到动态效应问题。9为什么选择放大器？放大器的性能限制比变压器少。如果必须保持直流（DC）电平，就必须使用放大器，因为变压器是固有的交流（AC）器件。另外，如果需要，变压器可以提供电流隔离。放大器提供增益比较容易，因为
3、放大器的输出阻抗实质上与增益无关。另一方面，变压器的输出阻抗与电压增益呈平方关系增加电压增 益取决于匝数比。放大器在通带范围内提供平坦的响应，而没有由于变压器寄生交互作用引起的纹波。10放大器通常产生的噪声有多大？让我们考虑一个典型的放大器，例如ADA4937。如果设置增益G1，那么输出的噪声谱密度在高频部分是6 nV/Hz，与此频带可比的采样速率为80 MSPS 的AD94468 ADC的输入噪声谱密度是10nV/Hz。这里的问题是，放大器的噪声带宽等于ADC的全带宽（中心频率位于500 MHz），而ADC的噪声又必须限制在第一奈奎斯特范区（40 MHz）。在没有滤波器的情况下，放大器的噪声
4、有效值是155 Vrms，ADC的噪声有效值是90 V。从理论上讲，总系统的信噪比（SNR）降低了6dB。为了从实验上证实这一点，用ADA4937驱动的AD9446-80测量的SNR结果是76 dBFS,本底噪声是118dB(见图1)。如果改用变压器来驱动AD9446-80，测量SNR结果是82 dBFS。因此用放大器驱动ADC使得SNR降低6dB。11如何减少放大器的噪声？为了提高ADC的信噪比，在放大器和ADC之间加了一个滤波器。如果使用的是一个100 MHz的双极点滤波器，放大器的总噪声有效值变为71 V， 使ADC的信噪比仅降低3 dB 。使用双极点滤波器改善了图1电路的SNR达到79
5、 dBFS，本底噪声为121dB，如图2a所示。构建双极点滤波器的方法是放大器的每个输出引脚都串联一个24的电阻器和一个30 nH的电感器并且差分连接一个47pF的电容器12在什么情况下需要使用变压器？当信号的频率很高而且ADC的输入端不允许很大的附加噪声时，变压器具有超越放大器的最大性能优势。13变压器和放大器在增益方面有何不同？主要的区别在于ADC的输入阻抗，它直接影响系统的带宽。变压器的输入阻抗和输出阻抗与匝数比的平方有关，而放大器的输入阻抗和输出阻抗与增益（G）根本无关。例如，采用一个增益G=2的变压器，并且变压器的输入阻抗为50，输出阻抗为200 。 AD9246 ADC有一个4 p
6、F的差分输入电容，它与一个200 输出阻抗的变压器相连，会使ADC的-3dB带宽范围从650 MHz降低到200 MHz。为了提高ADC的性能和减少踢回噪声(kickback noise)，通常需要外接一只串联电阻和微分电容，这样会进一步限制-3 dB的带宽，大概下降到100 MHz。如果使用一个低输出阻抗的放大器，例如使用ADA4937，结果通常会提供低于5 的源阻抗。这样每个ADC的输入端可串联一只25 限制瞬态电流的电阻器；这对于选用650 MHz模拟输入带宽的AD9246，应该是合适的。到目前为止，我们一直在围绕-3 dB带宽进行讨论。如果在单极点系统中需要增益起伏比较平坦，比方说0.
7、5 dB，那么需要将-3 dB带宽扩展大约3倍。对于0.1 dB平坦度，需要将-3 dB带宽扩展6.5倍。如果需要0.5 dB平坦度达到150 MHz带宽，那么它的-3 dB带宽必须大于450 MHz。采用 G = 2的变压器很难做到这一点，但是采用低输出阻抗的放大器很容易实现。14选择变压器还是放大器来驱动ADC时，要考虑哪些因素？我们可以把这些因素归结为6个参数，如下表所示：15变压器的重要特性是什么？变压器有许多特性例如电压增益和阻抗比、带宽和插入损耗、幅度和相位不平衡性，以及回波损耗。其它特性可能包括额定功率、配置类型（例如不平衡变压器或变压器）和中心点选项。使用变压器进行设计并不总是
8、一帆风顺的。例如，变压器的特性会随着频率变化，从而使变压器模型复杂化。在ADC应用中开始变压器建模的一个例子如图6所示。每一个参数都取决于所选用的变压器。如果变压器生产商可提供变压器的模型，建议你与他们联系。16变压器的重要特性是什么？变压器特性包括：匝数比是次级电压与初级电压之比。电流比与匝数比成反比。阻抗比是匝数比的平方。信号增益正好等于匝数比。尽管电压增益无噪声，但是要考虑其它因素后面将会讨论到。变压器可以简单地看作具有标称增益的带通滤波器。插入损耗是滤波器在规定频率范围内的损耗，虽然它是产品使用说明中最常见的测量技术指标，但还要考虑其它指标。回波损耗是指从变压器的初级端看次级端有效阻抗
9、不匹配特性的一种度量。例如，如果变压器的次级线圈与初级线圈的匝数比的平方是2:1，那么我们预期当次级端终止的阻抗为100 时，反射到初级端的阻抗是50 。然而，实际上不是严格符合这种关系；例如，反射到初级的阻抗会随着频率变化。一般地，随着阻抗比率增加，回波损耗的变化程度也随着增加。幅度失衡和相失衡是变压器的重要特性。当要求设计非常高的中频时（高于100 MHz），设计工程师可以通过这两项技术指标预测非线性误差的大小。随着频率的增高，变压器的非线性误差的也随着增加，通常是相位失衡起主要影响作用，相位失衡会转化为偶次谐波失真（主要是二次谐波）。17选择放大器时要考虑哪些重要参数？选用放大器代替变压
10、器的主要理由是为了获得好的通带平坦性。如果这项技术指标对你的设计方案来说很关键，那么放大器在规定频率范围内的波动会小一些，通常为0.1 dB。变压器的频率响应波动会小一些，当必须使用变压器时要求“精细调整”，所以平坦性是一个问题。放大器的驱动能力是它的另一个优势。变压器不能驱动PCB板上很长的印制线。变压器用来直接连接到ADC。如果系统要求把驱动器或耦合器安装在远离ADC处，或者另外一块PCB板上，那么我们强烈推荐使用放大器。直流耦合特性也是使用放大器的一个原因，因为变压器是固有的交流耦合器件。如果直流频段在应用中很重要，可选择放大器，因为有些高频放大器可以耦合一直到直流的频率。可选的典型放大
11、器包括AD8138和ADA4937。放大器还可以提供动态隔离（大约为30 dB40 dB的反向隔离）以抑制无缓冲ADC输入端的瞬态电流产生的尖峰毛刺。如果设计要求为ADC的模拟输入提供宽带增益，那么放大器会提供优于变压器的匹配。另外要考虑带宽与噪声的折衷。如果采用的频率高于150MHz，变压器在保持SNR和SFDR方面会做得更好一些。然而，如果工作在第一奈奎斯特区或第二奈奎斯特区，那么变压器或放大器都可以使用。18ADI Driver Amplifiers for SAR ADCsSingle-End19ADI Driver Amplifiers for SAR ADCsDifferentia
12、l20ADI Front-End design exampleReference 输入端加bufferReference通过电阻分压提供VCM=REF/2ADC输入端加bufferADC输入端设计RC低通滤波21Example-AD798522Example AD7944/AD7985/AD798623Example AD7944/AD7985/AD798624RC filter design双击打开25Example 16bit pulSAR AD7988-5 Reference & VCM5V5V26Example 16bit pulSAR AD7988-5 Offset=2.5VADC
13、drives27ADA4841-1 ADA4841-1/ADA4841-2是单位增益稳定、低噪声、低失真、轨到轨输出放大器，静态电流最大值为1.5 mA。这些放大器不仅功耗低，还提供2.1 nV/Hz的低宽带电压噪声性能和1.4 pA/Hz的电流噪声，100 kHz时具有极佳的-105 dBc无杂散动态范围(SFDR)。为了在更低频率下保持低噪声环境，10 Hz时放大器具有7 nV/Hz和13 pA/Hz的低1/f噪声。ADA4841-1/ADA4841-2的输出摆幅可达每供电轨的50 mV以下，输入共模电压范围扩展至负电源电压，可以最小峰值驱动高达10 pF的容性负载。它们提供有效支持最新1
14、6位至18位ADC所需的性能，是便携式仪器仪表、高通道数、工业测量和医疗应用的理想选择，适合驱动16位PulSAR ADC AD7685 /AD7686。28Band-pass filter output 5 VppAgilent 81150 + 100KHz Band-pass filter output waveform81150: Vpp=7.8V offset=0VFilter output: Vpp=4.767V offset=0V29DC-coupled VCM=2.5VAfter DC-coupled circuit, AD7988 inputVpp=3.877V offset=
15、2.5V30ResultSNR=87.399 dBTHD=-90.83 dBSNDR=85.752 dBREF=5V31Band-pass filter output 3.3 VppAgilent 81150 + 100KHz Band-pass filter output waveform81150: Vpp=5V offset=0VFilter output: Vpp=3.13V offset=0V32DC-coupled VCM=1.65VAfter DC-coupled circuit, AD7988 inputVpp=2.577V offset=1.64V33ResultSNR=84
16、.829 dBTHD=-92.45 dBSNDR=84.089 dBPower supply REF=3.3V34Gain=2 VCM=1.65V35AD4841 Gain=2 ,AD7988 performanceAWG420 as input + BPF36AWG420 direct inputADC1512 performance37AWG420 +BPF+RCADC1512 performance38AWG420 +BPF no RCADC1512 performance39AWG420 direct inputADC7502 performance40AWG420 +BPF+RCADC7502 performance41AWG420 +BPF no RCADC7502 performance
