Guy Hoover

引言

隨著模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 的分辨率和采樣率持續(xù)上升，其模擬輸入的驅(qū)動(dòng)電路（而不是模數(shù)轉(zhuǎn)換器本身）日益成為決定整個(gè)電路精度的限制因素。首先，驅(qū)動(dòng)電路必須能夠緩沖輸入信號(hào)并提供增益。此外，還必須能夠進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換或?qū)味诵盘?hào)轉(zhuǎn)換為全差分信號(hào)，以滿足ADC 的輸入電壓范圍和共模要求。所有這些都必須在不給原始信號(hào)增加失真的情況下完成。

本“設(shè)計(jì)要點(diǎn)”介紹一種簡單的 ADC 驅(qū)動(dòng)器電路，它將 ±10V 單端輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為全差分信號(hào)，能夠以僅 2ppm 的綜合線性度誤差驅(qū)動(dòng)LTC?2377-20 20 位 SAR ADC。此外，還分析了可提供更高輸入阻抗和更低總體電源電流的選項(xiàng)。

電路說明

圖 1 中的電路可以將 ±10V 單端信號(hào)轉(zhuǎn)換為LTC2377-20 (U1) 所需的 ±5V 全差分信號(hào)。LTC2377-20 是一款 20 位、500ksps 的低功耗SAR ADC，具有 ±0.5ppm 典型積分非線性(INL)。AIN 的電壓被 U4 緩沖，其隨后驅(qū)動(dòng) U5電阻串，充當(dāng)精密分壓器。U3 以 –1/2 增益運(yùn)行，并驅(qū)動(dòng) U5 電阻串的中心，以將 ADC 共模電壓保持在 VREF/2。

U3 和 U4 是 LT?1468A 低失調(diào)高線性運(yùn)算放大器。U5 是 LT5400A 四通道匹配電阻網(wǎng)絡(luò)，其保證最高失配為 0.01%。U5 中的匹配電阻值非常重要，因?yàn)槿魏问涠紩?huì)導(dǎo)致電路出現(xiàn)失調(diào)和滿量程誤差。出于此原因，以及其極低的電壓系數(shù)，所以請不要使用分立電阻器來代替LT5400A。R4 為 U3 的輸出提供 1/4 標(biāo)度移位。R1 和 R2 構(gòu)成分壓器，這給 U3 的同相輸入端施加了 VREF/2 的偏置電壓。

R5 和 R6 將反相放大器 U3 的增益設(shè)置為 –0.5。C10、C12 和 U5 電阻器組合形成 ADC 輸入端的 1.4MHz 濾波器。此外，U5 的引腳 1 和引腳 8之間的電阻器有助于將 U4 輸出與 ADC 從保持模式進(jìn)入采樣模式時(shí)會(huì)出現(xiàn)的電荷高峰隔離開來。由于 LTC6655A-5 (U2) 能夠快速從轉(zhuǎn)換期間 REF引腳上發(fā)生的瞬變中穩(wěn)定下來，且本身的噪聲很低，因而被選作該電路的基準(zhǔn)。

電路性能

該電路的典型交流性能包括 –123.5dB 的 THD和 102.7dBFS 的 SNR、500ksps 采樣速率，以及 100Hz 輸入信號(hào)。您可以在圖 2 的 FFT 中查看此性能。THD 和 SNR 的性能接近于LTC2377-20 數(shù)據(jù)手冊中的典型值，表明在使用此驅(qū)動(dòng)器時(shí)性能下降很小。

如圖 3 所示，在采樣速率為 500ksps 的情況下，組合電路在整個(gè) ±10V 輸入信號(hào)范圍內(nèi)的典型線性性能為 +2ppm、–1.3ppm。線性度受 ADC的 INL 和運(yùn)算放大器 U4 的 CMRR 的限制。

ADC 輸入端的合并失調(diào)，包括源自 U4、U5 和U1 的失調(diào)，測量值為 +50μV。U3 的失調(diào)對該驅(qū)動(dòng)器的失調(diào)沒有任何影響。對 ADC 輸入失調(diào)進(jìn)行最壞情況分析通過加入 U1、U4 和 U5的最大失調(diào)進(jìn)行計(jì)算：

VOS(MAX) = BZE(Max)U1 + VOS(MAX)U4/2 +
(VREF/2 – VREF/(2 + ΔR/R(Max)U5))
VOS(MAX) = 13ppm ? 10μV/ppm + 75μV/2 +
(5/2 – 5/(2.0001)) ? 1E6μV
VOS(MAX) = 292μV = 29.2ppm

LT1468A 的最大輸入偏置電流為 ±40nA。對于需要更高輸入阻抗的應(yīng)用，可以使用 LT1122A替換 U4。LT1122A 是一種快速穩(wěn)定的 JFET 輸入運(yùn)算放大器，最大輸入偏置電流為 75pA。在此電路中使用 LT1122A 之后，INL 為 +6ppm、–1.1ppm，具體請參見表 1 中的運(yùn)算放大器性能比較數(shù)據(jù)。

LTC2377-20 ADC 在采樣率為 500ksps（全速率）時(shí)，典型電源電流為 4.2mA。LTC2377?20 在一次轉(zhuǎn)換操作后自動(dòng)斷電，直到下一次轉(zhuǎn)換操作開始時(shí)才再次上電。這種自動(dòng)關(guān)斷功能可以降低ADC 的功耗，對于采樣率極低的應(yīng)用采樣率可低至 1μA。

對于電源電流非常重要的低采樣率應(yīng)用，LT1468A 最高 5.2mA 的電源電流可能過高。對于這些應(yīng)用，可以使用 ±15V 時(shí)最大電源電流500μA 的 LT1012A 皮安輸入電流、微伏失調(diào)、低噪聲運(yùn)算放大器來代替 LT1468A。使用LT1012A 采樣率最高達(dá) 125ksps 時(shí)，線性度可以達(dá)到 +0.9ppm、–0.5ppm，具體請見表 1 中的運(yùn)算放大器性能比較數(shù)據(jù)。采樣率高于125ksps 時(shí)，INL 性能開始下降，這是因?yàn)檫\(yùn)算放大器不能足夠快速地穩(wěn)定下來，并準(zhǔn)確驅(qū)動(dòng)ADC。

結(jié)論

此處所示的 ADC 驅(qū)動(dòng)器電路可以將 ±10V 單端信號(hào)轉(zhuǎn)換成用于 LTC2377-20 500ksps SAR ADC 的 ±5V 全差分信號(hào)。組合電路性能達(dá)到50μV 失調(diào)、2ppm INL、102.7dBFS SNR，以及123.5dB THD。該驅(qū)動(dòng)器主要由兩個(gè) LT1468A運(yùn)算放大器和一個(gè) LT5400A 匹配電阻陣列組成。此電路的其他版本使用 LT1122A 運(yùn)算放大器來提供 75pA 的最大輸入電流，或者在采樣率降低時(shí)，使用 LT1012A 運(yùn)算放大器來降低電源電流。Linear Technology 可提供該電路的演示板DC2135。

表 1. 運(yùn)算放大器性能比較