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文本内容:
从直流到宽带的高速模拟信号链设计目前,在转换器领域风头正盛的是GSPS ADC—也称RF ADCo凭借市场上采样速率如此高的转换器,奈奎斯特频率与五年前相比提高了10倍关于使用RF ADC的优势,以及如何使用它们进行设计并以如此高的速率捕获数据,人们进行了大量的讨论感谢JESD204X联盟但是人们似乎忘了一件事情,即低直流信号高性能模数转换器ADC之前的输入配置或者前端设计,对于实现所需的系统性能非常关键通常重点在于捕获宽带频率,例如大于1GHz的宽带频率然而,在某些应用中,也需要直流或近直流信号,并且受到最终用户的欢迎,因为它们也可以传输重要信息因此,通过优化整体前端设计来捕获直流和宽带信号需要直流耦合前端,该直流耦合前端一直连接到高速转换器考虑到应用的本质,将需要开发一个有源前端设计,因为用于将信号耦合到转换器的无源前端和巴伦本身就已交流耦合本文以实际系统解决方案为例,概述了共模信号的重要性,以及如何正确对放大器前端进行电平转换共模概述由于对共模参数及其与设备之间的关联缺乏了解,客户仍然会提出许多技术支持问题ADC数据表指定了模拟输入的共模电压要求关于这方面没有太多详细信息,但为了以满量程实现额定ADC性能,必须保持适当的前端偏置集成缓冲器的ADC通常具有内部偏置共模CM电平,此电平是电源的一半加上二极管压降AVDD/2+
0.7V o不需要外部电路对此电路进行偏置,但必须保持共模电平才能正确使用转换器对于无缓冲的开关电容输入转换器,共模偏置通常是模拟电源的一半,即AVDD/2可通过多种方式由外部提供部分转换器具有一个专用引脚,允许设计人员通过几个与模拟输入相连的电阻来提供偏置或者,设计人员可以将内部偏置连接到变压器的中心抽头,或者可以使用电阻分压器分离模拟电源电阻从模拟输入的每个端脚连接到AVDD和接地在使用转换器的VREF引脚之前,请查阅制造商的数据手册或咨询应用支持小组,因为许多基准信息并未提供,不能在没有外部缓冲器的情况下提供共模偏置这很诱人,因为您需要的CM电压很容易获得,但提醒一句一不要这样做如果未提供或保持共模偏置,转换器将产生增益和失调误差,使总体测量性能下降转换器可能过早削波,或者根本不会削波,因为转换器达不到满量程在转换器之前连接放大器时,共模偏置尤其重要,特别是当应用需要直流耦合时查看放大器的数据手册技术规格,确保放大器可以满足转换器的摆幅和共模电源要求转换器日益趋向采用更小的工艺尺寸,因此需要更低的电源使用L8V电源时,如果需要直流耦合,则放大器需要
0.9V的共模电压使用
3.3V至5V电源电压的放大器可能无法保持那么低的电平,但是较新的低电压放大器可以,或者设计人员可以使用分离电源并在VSS引脚上使用负供电轨然而,这样做时,记住其他引脚可能也需要连接到负供电轨相关信息请参考数据手册和/或咨询直接应用支持人员共模定义我们首先来看共模电压的定义图1显示了转换器如何查看差模与共模信号CM电压只是信号移动的中点一参见图lo您也可以将其视为新中点或零代码一放大器,通常通过一个VOCM引脚或类似的器件,在输出端建立CM不过要小心,这些引脚也有一定的电流和电压范围要求最好查阅一下放大器数据手册,并且/或者使用不会使电路内部的任何相邻电路或基准点负荷过重的稳定偏置点不要只是分接一个转换器的基准电压引脚VREF,它通常是转换器满量程的一半可能无法提供充分的高精度偏置谨慎起见,也应查阅转换器数据手册上的引脚技术规格一般而言,电阻容差设的简单分压器和/或缓冲器驱动器之类,可正确设置放大器的CM偏置halanc*d Signal0-V Reference%*・一J-
0.5VVxt«Vpk xQnwt WeVptx
0.5x nwt♦1V.Vnt=-
0.5x sinwt♦1V■dmtVpt-Vnt2Vp p0V■
0.5M$inw1♦1V-9,x$inwt♦1V■1x$invd or■1x sinwt at9CT«41V《5y=1x5inwtat270*«-1V=2VhpI-
1.0V图
1.差模与共模信号示例在下面表1中简要列出了如何连接每个应用的放大器和转换器,图2显示了一些正确的电路示例-PPpO-O-VV图
2.用于放大器/转换器前端的交流耦合与直流耦合应用示例Table
1.Common-Mode Matrix放大器ADC注释1应用在DS指定的限制范围内确保放大器和ADC CM偏置设置VOCM使用来自ADC直流耦合不要提供CM偏置在彼此的范围内否则,不VREF/CML引脚的分压器匹配可能会导致错误或缓冲放大器在DS指定的限制范围内将VIN CM偏置设置交流耦合(具设置VOCM使用分压器或为AVDD/2使用分在放大器的输出端提供交有无缓冲的其他一些稳定的偏置点压器或CML引脚提流耦合电容ADC)供CM偏置在DS指定的限制范围内不要提供CM偏置交流耦合(具设置VOCM使用分压器或VIN引脚自偏置为在放大器的输出端提供交有缓冲的ADC)其他一些稳定的偏置点AVDD/2+
0.7o流耦合电容共模已断开如果未提供或保持共模偏置,转换器将产生增益和失调误差,使获取的总体测量性能下降简单地说一转换器输出将如图3所示,或者略有变化输出频谱的形态将与过载满量程输入相似这意味着转换器的零点偏离中心,不是最优设计人员可能会发现转换器会较早削波或者达不到转换器的满量程最近,由于转换器开始使用L8V电源和更低的电源,这一问题变得更为严重这意味着模拟输入的CM偏置为
0.9V或AVDD/2并非所有的单电源放大器都支持这样的低共模电压,同时还保持相对较好的性能但是,部分新型放大器已经适应此类电压,并在市场上有售因此,谨慎起见,需查看哪些放大器可以用于您的新设计并不是任何旧款放大器都能使用,因为裕量可能非常受限,并且内部晶体管可能会开始塌陷如果将双电源与放大器配合使用,大多数情况下应该会有充足的裕量来实现适当的CM偏置缺点是增加了一个额外的电源一可能不标准的负电源,这意味着更多的器件和更高的成本简单的反相器电路有助于解决这一问题0153045®乃90052-03-151・1图
3.放大器和转换器之间的CM不匹配将器件连接起来了解共模和直流耦合之后,我们可以开始组建信号解决方案例如,ADL5567是双通道差分放大器,增益为20dBo它具有
4.8GHz带宽,适合连接GSPS ADC,例如AD9625,这是12位、
2.5GSPS转换器,具有JESD204B8通道接□o图4所示为整体设置框图图
4.直流到WB放大器/转换器信号链示例在显示的该配置中,前端接口针对宽带采样进行了优化,同时保留信号的直流成分由于器件为+
5.5V耐压该设计使用+
3.3V和-2V AVDD分离电源这使得放大器的输出端和ADC的输入端之间共模简单对齐,两者均需在AIN+和AIN-保持+
0.525Vo同样,注意几个接地使能的放大器引脚功能VSS,单电源现强制设置为-2V供电新VSSCM电压输出很简单,但是弄清楚放大器输入的共模需求可能有点麻烦需要为接口做两件事第一,输入端CM电压需要配置为0V,否则,驱动放大器失调•将使输出轨偏向一侧这将导致图3所描述的性能问题或更严重,一将出现放大器和转换器信号链交流性能不佳为此,放大器输入端的每一侧都需要允许电流流向地面,或该直流耦合案例中2Vo因此,在每个放大器输入端添加
2.2kQ的电阻来抑制失调电流这是它的工作原理放大器输出约为
0.525V,放大器输入CM电压为0Vo具有500Q的内部反馈电阻和约50Q的输入电阻使得它看起来有550Q;或在本例中,我们假设一个50源电阻与100Q电阻并联,得到33Q再串联20增加到53Q这是串联了500Qo内部反馈电阻或总计553Q也就是形成了500和53的
0.525V电阻分压器反过来,产生了900uA或
0.525/553的电流为将此分流至地面或新VSS或-2V,添加
2.2kQ电阻或-2V/
2.2kQ=900uAo第二,输入为单端输入且需要适当配置来保持最佳性能,同时维持较低偶数阶失真同样,100Q与50源电阻有效并联,得到
33.33Q戴维南等效电阻,如前所述这通常又会反映在VIN节点上,来平衡设备的输入,因为它是单端驱动的但是,为了改善偶数阶失真,VIN+节点上的20Q用于保持所有宽带频率的低失真这通过使用特定中频约500MHz完成,一或参见图5测试示例由于它是一个迭代的过程,所以会有些乏味有关放大器上SE到DIFF转换的计算和方程,参见ADA4932数据手册图6中所示为信号链设计中最高2GHz输入频率的典型交流频率扫描性能Ch AFFT
0.2/24/2016TE.40639PM ftequmcy-NOOMHi$IHAD-5248dBc DCFrequency•0MHxFowlfieQjency•507172MHzFWPoww•r JXdBFSFtxtdBrw•2\27e4c松®Xc Power・724Powe*-3451dBc•87471dBcWcettOlhtfF—nency-7175MHxWontO»w Power•803»dBFS NOHE/HI--144907dBTS/Hs工石■;;正工」I图
5.典型FFT性能@507MHz AIN@2500MSPS1020040060080010001200140016001800Frequency MHz图
6.典型交流频率扫描性能@2500MSPS值得注意的是,添加了
5.1nH电感与电源的正供电轨输入串联这有助于通过捕捉和再循环放大器内部的这些不平衡电流来再次提高偶数阶线性度性能与频率最后,需要针对放大器和ADC之间的前端BW优化接口这通常也以迭代的方式完成但是,对于两个IC之间某些值的设置有几点需注意为了在接口中获得最佳BW,请遵循以下规则•首先,根据经验和/或ADC数据手册建议,选择一个反冲电阻器RKB,本例中为,通常介于5Q和36Q之间•然后,选择放大器外部串联电阻RA如果放大器差分输出阻抗在100Q至200范围内,RA应小于10Qo如果放大器输出阻抗为12或更低,RA应介于5Q和36之间此时,为ADL5567选择10Q串联电阻和阻抗为10Q的差分输出•放大器输出的串联与并联总电阻应与放大器的表征负载RL接近这里,图4电路中为160Q,或2RA+2RKB+RADC=20+40+100ADL5567具有200Q的RL,所以如果设计值偏离放大器的RL特性值太多,线性度性能可能出现偏差•最后,将内部ADC电容CADC添加至10串联电阻后的并联电容,来帮助完成内部ADC采样网络反冲这也提供了软低通滤波来减少任何折回带内的宽带谐波有关在放大器和ADC之间形成抗混叠滤波器的更完整过程,参见CN-0227和CN-0238o使用上述标准开发出2GHz通带平坦度响应产品,以捕捉1st和2nd奈奎斯特区内的频率,假设采样速率为
2.5GSPSo该设计的输入驱动规格将为-8dBm或252mV p-p,假设在100MHz基准频率下具有50Q输入阻抗这是放大器输入要求转换器达到满量程的输入满量程电平图
7.典型通带平坦度性能和输入驱动电平ap/sLLBs.BaJSffNS189080706050403020结论在任何直流耦合设计中,忽略转换器的共模输入电压规格均可引起严重问题如果使用了多个级别,信号链中的共模水平必须保持一致,以防止两个组件相互冲突如果未正确耦合,其中一个将经常在各级间取胜,产生虚假测量对于交流耦合应用,需在两级之间使用一个耦合电容来打破这种共模不匹配这样设计才能够优化放大器输出和ADC输入的偏置否则,系统设计中需考虑双电源或电平转换电路,如以上直流耦合设计中的描述参考电路Reeder,Rob.实现放大器与ADC之间的共模融合Electronic Design,2010年7月AN-824,放大器与开关电容ADC接口的谐振匹配方法Bowick,Chris.RF电路设计.Newnes,1997年2月高速反冲、无缓冲ADC、Electronic Design,,July
2011.Quite UniversalCircuit Simulator.Nuhertz Technologies,Filter FreeDesign Program.。
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