Frances De La Rama and Philip Karantzalis

減小模擬信號(hào)鏈的尺寸和成本，并提供ADC抗混疊保護(hù)（ADC輸入信號(hào)位于ADC采樣頻率附近的頻帶中 不受數(shù)字濾波器保護(hù)，必須由模擬低通濾波器LPF衰減）。20 V p-p LPF 驅(qū)動(dòng)器的典型應(yīng)用是工業(yè)、科學(xué)和 必須使用具有較低滿量程輸入的高速ADC對(duì)傳統(tǒng)20 V p-p信號(hào)范圍進(jìn)行數(shù)字化的醫(yī)療（ISM）設(shè)備。

驅(qū)動(dòng)ADC以獲得最佳的混合信號(hào)性能是一項(xiàng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。圖1所示為標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)器ADC電路。在ADC采集期間，采樣電容將指數(shù)衰減的電壓和電流反沖到RC濾波器中?；旌闲盘?hào)ADC驅(qū)動(dòng)器電路的最佳性能取決于多個(gè)變量。驅(qū)動(dòng)器的建立時(shí)間、RC濾波器的時(shí)間常數(shù)、驅(qū)動(dòng)阻抗和ADC采樣電容的反沖電流在采集期間相互作用，并產(chǎn)生采樣誤差。采樣誤差隨ADC位數(shù)、輸入頻率和采樣頻率而直接增加。

圖1.標(biāo)準(zhǔn)ADC驅(qū)動(dòng)器和RC濾波器。

標(biāo)準(zhǔn)ADC驅(qū)動(dòng)器具有大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)樣本，可用于可靠的設(shè)計(jì)過(guò)程。缺乏實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)來(lái)指導(dǎo)驅(qū)動(dòng)ADC的低通濾波器的設(shè)計(jì)。本文介紹一個(gè)LPF驅(qū)動(dòng)器電路，該電路結(jié)合了模擬低通濾波、信號(hào)壓縮和ADC驅(qū)動(dòng)器（見(jiàn)圖2）。

圖2.LPF驅(qū)動(dòng)器和ADC電路。

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實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)和分析

測(cè)量系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的兩個(gè)重要參數(shù)是信噪比（SNR）和總諧波失真（THD）。最佳性能是ADC和信號(hào)調(diào)理級(jí)組合的結(jié)果，本文包括三階低通濾波器和單端至差分轉(zhuǎn)換器。圖3所示LPF驅(qū)動(dòng)器電路的–2 dB帶寬和建立時(shí)間各不相同，SNR和THD測(cè)量結(jié)果列于表2至表5中。本文將討論測(cè)試的變量及其對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

低通濾波器 –3 dB 帶寬

將 1 MHz 信號(hào)帶寬與 1 MHz 帶寬的兩倍半的性能進(jìn)行比較。–3 dB點(diǎn)分別為558 kHz、1 MHz和2.3 MHz，性能如表2所示。將截止頻率降低至558 kHz可降低LPF噪聲帶寬并提高SNR。將截止頻率提高到1 MHz或2.3 MHz可縮短LPF驅(qū)動(dòng)器建立時(shí)間并降低THD。

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截止頻率可以通過(guò)改變圖2中的R或C來(lái)改變。當(dāng)使用C電容設(shè)置截止頻率時(shí)，LPF驅(qū)動(dòng)器THD較低，如果R電阻降低，SNR略有改善。如表 3 所示。

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設(shè)置 RQ 電阻（圖 2）

LPF 的 RQ 電阻設(shè)置時(shí)間響應(yīng)。RQ越高，過(guò)沖越高，建立時(shí)間越長(zhǎng)。較低的RQ具有較低的過(guò)沖和較短的建立時(shí)間。圖3顯示了150 Ω和75 Ω RQ電阻的LPF瞬態(tài)響應(yīng)。LPF 驅(qū)動(dòng)程序已使用不同的 RQ 進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如表 4 所示。

圖3.不同 RQ 值的過(guò)沖和建立時(shí)間。

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根據(jù)實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)，使用75 Ω和150 Ω的RQ對(duì)SNR和THD性能沒(méi)有顯著影響，只是過(guò)沖和建立時(shí)間的一個(gè)因素。

注意：LTC2387-18和LTC2386-18在10 MSPS時(shí)的采集時(shí)間分別為61 ns和50 ns。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣率

表5中的數(shù)據(jù)顯示，使用LTC2387-18在10 MSPS時(shí)，系統(tǒng)的THD性能低于15 MSPS（圖3的RC驅(qū)動(dòng)電容C4和C2在180 MSPS時(shí)為10 pF）。

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遙控濾波器

驅(qū)動(dòng)器和ADC之間的RC濾波器用于帶寬限制，以確保寬帶寬范圍內(nèi)的低噪聲并獲得更好的SNR。RC值決定了–3 dB截止頻率。降低 R 有時(shí)會(huì)導(dǎo)致振鈴和不穩(wěn)定。增加 R 會(huì)增加采樣誤差。對(duì) C 使用較低的值將導(dǎo)致較高的充電反沖，但允許更快的充電時(shí)間。較高的 C 值將產(chǎn)生較低的充電反沖，但也會(huì)導(dǎo)致充電時(shí)間變慢。此外，設(shè)置RC值對(duì)于確保樣品在給定的采集時(shí)間內(nèi)沉降至關(guān)重要。使用數(shù)據(jù)手冊(cè)的推薦值和精密ADC驅(qū)動(dòng)器工具的建議值將是一個(gè)很好的起點(diǎn)。

精密ADC驅(qū)動(dòng)器工具是一個(gè)全面的工具，有助于預(yù)測(cè)在驅(qū)動(dòng)器和ADC之間使用不同RC值時(shí)的系統(tǒng)性能。可以使用此工具檢查的一些參數(shù)是采樣誤差時(shí)的電荷反沖和采集時(shí)間。

為了通過(guò)使用3 Ω和25 pF RC實(shí)現(xiàn)較低的–180 dB截止頻率，輸入信號(hào)的建立和電荷反沖會(huì)受到影響。為了具有較低的–3 dB截止頻率并確保輸入信號(hào)在采集周期內(nèi)正確建立，可以選擇使用較低的采樣速率。根據(jù)LTC2387-18數(shù)據(jù)手冊(cè)，采集時(shí)間通常為周期時(shí)間減去39 ns。在2387 MSPS下優(yōu)化LTC18-15可實(shí)現(xiàn)27.67 ns的采集時(shí)間，而在10 MSPS下使用該器件可實(shí)現(xiàn)61 ns的采集時(shí)間。

借助精密ADC驅(qū)動(dòng)器工具，圖4a至4c總結(jié)了使用不同RC值時(shí)的反沖差和RC時(shí)間常數(shù)（Tau），以及10 MSPS和15 MSPS采樣速率的采集時(shí)間。圖4a顯示了LTC25-82在15 MSPS采樣速率下使用推薦的RC值2387 Ω和18 pF的建立響應(yīng)。圖4b顯示了使用180 pF的C時(shí)RC時(shí)間常數(shù)更高，對(duì)于27 MSPS采樣速率，該時(shí)間常數(shù)可防止輸入在6.15 ns的采集時(shí)間內(nèi)建立。圖4c使用與圖4b相同的RC（25 Ω和180 pF），但當(dāng)使用61 MSPS采樣速率時(shí)，采集時(shí)間增加到10 ns后，信號(hào)能夠建立。

圖4.不同采樣速率的充電反沖、RC_Tau、采集時(shí)間：（a） 15 MSPS 采樣率，并使用 LTC2387-18 的建議 RC 值（25 Ω 和 82 pF），（b） 15 MSPS 采樣速率并使用 LTC2386-18 的建議 RC 值（25 Ω 和 180 pF），以及 （c） 10 MSPS 采樣速率，使用 LTC2386-18 的建議 RC 值（25 Ω 和 180 pF）。

LPF 驅(qū)動(dòng)器電阻器選擇

LPF驅(qū)動(dòng)器的–3 dB截止頻率可以通過(guò)改變R或C來(lái)實(shí)現(xiàn)。影響系統(tǒng)總噪聲的因素之一是來(lái)自電阻的噪聲。根據(jù)噪聲計(jì)算公式，理論上可以通過(guò)降低電阻值來(lái)降低電阻噪聲。對(duì)于此活動(dòng)，已嘗試將兩個(gè)電阻值作為L(zhǎng)PF驅(qū)動(dòng)器R、750 Ω和412 Ω。理論上預(yù)計(jì)，當(dāng)R較低時(shí)，SNR會(huì)更好，但從收集的數(shù)據(jù)來(lái)看，如表2和表3所示，SNR并沒(méi)有太大改善，相反，對(duì)THD性能的影響更明顯。

LPF電阻越低（圖1中的R），放大器所需的電流要求就越高。使用較低值電阻時(shí)，運(yùn)算放大器輸出電流高于最大線性電流驅(qū)動(dòng)能力。

放大器驅(qū)動(dòng)器選擇

實(shí)現(xiàn)器件最佳性能的最佳規(guī)格對(duì)于選擇要使用的ADC驅(qū)動(dòng)器至關(guān)重要。數(shù)據(jù)收集使用了兩個(gè)ADC驅(qū)動(dòng)器，即ADA4899-1和LTC6228。這些 ADC 驅(qū)動(dòng)器是驅(qū)動(dòng) LTC2387-18 的理想選擇，LTC4899-1 已用于實(shí)驗(yàn)室測(cè)量。在選擇ADC驅(qū)動(dòng)器時(shí)考慮的一些規(guī)格包括帶寬、電壓噪聲、諧波失真和電流驅(qū)動(dòng)能力。根據(jù)所進(jìn)行的測(cè)試，就THD和SNR而言，ADA6228-<>和LTC<>的性能差異可以忽略不計(jì)。

LPF 設(shè)計(jì)和應(yīng)用指南

圖5所示為L(zhǎng)PF電路。五個(gè)相等電阻（R1至R5）、一個(gè)用于調(diào)節(jié)LPF時(shí)間響應(yīng)的電阻（RQ）、兩個(gè)相等的接地電容（C1和C2）和一個(gè)反饋電容（C3）（其值為接地電容的十分之一）完善了LPF無(wú)源元件集（±1%電阻和±5%電容）。

圖5.LPF 電路。

簡(jiǎn)單的LPF設(shè)計(jì)程序（注1）

R1 到 R5 = R、C1 和 C2 = C。

為了獲得最小的失真，電阻R1至R5必須在600 Ω至750 Ω范圍內(nèi)。

集合 R = 750 Ω

C = 1.5E9/f3 分貝最接近的標(biāo)準(zhǔn) 5% 電容器，單位為 pF、F3 分貝是 LPF –3 dB 頻率（注 2）

例如：如果 f3分貝為 1 MHz，則 C = （1.5E9）/（1E6） = 1500 pF

C3 = C/10

RQ = R/5 或 R/10（注 3 和 4）

注1. 簡(jiǎn)單的濾波器設(shè)計(jì)只需要一個(gè)計(jì)算器，并且不需要非線性s域方程。

注2. 如果 R = 619 Ω，則 C = 1.8E9/f3 分貝， f3 分貝是 LPF –3 dB 頻率。

注3. RQ = R/5表示最大阻帶衰減，R/10表示低過(guò)沖和快速建立。

對(duì)于 RQ/5 和 RQ/10，在 70× f 時(shí)，阻帶衰減分別為 –62 dB 和 –10 dB–3 分貝.

注4. 如果 RQ = R/10，則 –3 dB 頻率比 RQ = R/7 低 5%，因此 R1 到 R5 為 0.93×RQ/5 的 R。

說(shuō)明5. 從LPF驅(qū)動(dòng)器差分輸出到ADC輸入的PCB走線距離必須為1''或更小。

說(shuō)明6. LPF 運(yùn)算放大器的 V抄送和 V電子電氣輸出線性電壓擺幅分別為6 V和–1 V，電壓擺幅為0 V至4.098 V。

結(jié)論

表2至表5的SNR和THD數(shù)據(jù)提供了圖2所示電路性能的見(jiàn)解。通過(guò)增加電容器來(lái)降低LPF帶寬會(huì)增加SNR（更低的LPF噪聲帶寬）。較低的LPF帶寬會(huì)增加失真（因?yàn)長(zhǎng)PF建立時(shí)間比最小采樣誤差所需的時(shí)間長(zhǎng)）。此外，如果LPF電阻值過(guò)低，則THD會(huì)降低，因?yàn)長(zhǎng)PF運(yùn)算放大器驅(qū)動(dòng)反饋電阻和反相運(yùn)算放大器輸入電阻（運(yùn)算放大器輸出電流越高，失真增加）。

LTC10-2387 ADC采用18 MSPS采樣頻率，LPF通帶必須為1 MHz或更高，以最大限度地降低THD。將LPF設(shè)置為1 MHz是SNR、THD和足夠的ADC混疊保護(hù)的任意折衷方案。

審核編輯：郭婷