設(shè)計(jì)從直流到寬帶的高速模擬信號(hào)鏈
如今，在轉(zhuǎn)換器領(lǐng)域風(fēng)靡一時(shí)的是GSPS ADC，也稱為RF ADC。由于市場上有如此高的采樣率轉(zhuǎn)換器，與五年前相比，奈奎斯特打開了 10×。關(guān)于使用RF ADC的優(yōu)勢以及如何使用它們進(jìn)行設(shè)計(jì)并以如此高的速率捕獲數(shù)據(jù)，已經(jīng)進(jìn)行了大量討論。謝謝JESD204x財(cái)團(tuán)。但有一個(gè)考慮因素似乎被遺忘了，即低直流信號(hào)。
在高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）之前設(shè)計(jì)輸入配置或前端對(duì)于實(shí)現(xiàn)所需的系統(tǒng)性能始終至關(guān)重要。通常，重點(diǎn)是捕獲寬帶頻率，例如大于1 GHz的頻率。然而，在某些應(yīng)用中，直流或近直流信號(hào)也是必需的，最終用戶可以欣賞，因?yàn)樗鼈円矓y帶重要信息。因此，優(yōu)化整體前端設(shè)計(jì)以捕獲直流和寬帶信號(hào)需要一個(gè)直流耦合前端，該前端一直通向高速轉(zhuǎn)換器。
由于應(yīng)用的性質(zhì)，需要開發(fā)有源前端設(shè)計(jì)，因?yàn)橛糜趯⑿盘?hào)耦合到轉(zhuǎn)換器的無源前端和巴倫本質(zhì)上是交流耦合的。本文將概述共模信號(hào)的重要性以及如何正確對(duì)放大器前端進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，以實(shí)際系統(tǒng)解決方案為例進(jìn)行。
共模：概述
當(dāng)客戶對(duì)共模參數(shù)及其與器件的關(guān)系缺乏了解時(shí)，許多客戶支持問題仍然來自客戶。ADC數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)定了模擬輸入的共模電壓要求。關(guān)于這個(gè)問題沒有太多的詳細(xì)信息，但必須保持適當(dāng)?shù)那岸似?，以便在滿量程下實(shí)現(xiàn)ADC的額定性能。
具有集成緩沖器的ADC通常具有電源一半的內(nèi)部偏置共模（CM）電平加上二極管壓降（AVDD/2 + 0.7 V）。該電路不需要外部電路來偏置，但必須保持該電路才能正確使用轉(zhuǎn)換器。對(duì)于無緩沖（開關(guān)電容輸入）轉(zhuǎn)換器，共模偏置通常為模擬電源的一半，即AVDD/2。這可以通過多種方式從外部提供。一些轉(zhuǎn)換器具有專用引腳，允許設(shè)計(jì)人員通過連接到模擬輸入的幾個(gè)電阻提供偏置?；蛘撸O(shè)計(jì)人員可以將內(nèi)部偏置連接到變壓器的中心抽頭，或者可以使用模擬電源旁的電阻分壓器（模擬輸入的每個(gè)支路到 AVDD 和地的電阻）。在使用轉(zhuǎn)換器的V之前，請(qǐng)查看制造商的數(shù)據(jù)手冊(cè)或應(yīng)用支持小組裁判引腳，因?yàn)樵S多基準(zhǔn)電壓源無法在沒有外部緩沖器的情況下提供共模偏置。這很誘人，因?yàn)槟枰腃M電壓就在那里并且很方便，但請(qǐng)注意 - 不要這樣做。
如果未提供或維持共模偏置，轉(zhuǎn)換器將產(chǎn)生增益和失調(diào)誤差，從而影響整體測量。轉(zhuǎn)換器可能會(huì)提前削波，或者根本不削波，因?yàn)闊o法達(dá)到轉(zhuǎn)換器的滿量程。在轉(zhuǎn)換器前面連接放大器時(shí)，共模偏置尤其重要，尤其是在應(yīng)用需要直流耦合時(shí)。檢查放大器的數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)格，確保放大器能夠滿足轉(zhuǎn)換器的擺幅和共模電源要求。轉(zhuǎn)換器一直在推動(dòng)更小的幾何工藝，因此需要降低供應(yīng)量。采用1.8 V電源時(shí)，如果需要直流耦合，放大器需要0.9 V共模電壓。具有3.3 V至5 V電源電壓的放大器可能無法保持如此低的電平，但較新的低壓放大器可以，或者設(shè)計(jì)人員可以使用分離電源并在VSS引腳上使用負(fù)電源軌。但是，在執(zhí)行此操作時(shí)，請(qǐng)記住，其他引腳也可能需要連接到負(fù)電源軌。請(qǐng)查閱產(chǎn)品的數(shù)據(jù)手冊(cè)和/或直接應(yīng)用支持，了解詳情。
共模：已定義
讓我們從定義什么是CM電壓開始。圖1顯示了轉(zhuǎn)換器如何看到差分和共模信號(hào)。CM電壓只是信號(hào)圍繞的中心點(diǎn)移動(dòng)——見圖1。您也可以將其視為新的中心點(diǎn)或零碼 - 放大器，CM建立在輸出上，通常通過VOCM引腳或類似引腳。但要小心，這些引腳也有一定的電流和電壓范圍要求。最好查看放大器數(shù)據(jù)手冊(cè)和/或使用不會(huì)加載電路內(nèi)任何相鄰電路或參考點(diǎn)的魯棒偏置點(diǎn)。不要簡單地?cái)嚅_轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓引腳 （V裁判），通常是轉(zhuǎn)換器滿量程的一半。它可能無法提供足夠的準(zhǔn)確性偏差。謹(jǐn)慎的做法是查看轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)手冊(cè)上的引腳規(guī)格。通常，具有1%電阻容差的簡單分壓器和/或緩沖驅(qū)動(dòng)器等功能可以為放大器正確設(shè)置此CM偏置。
圖1.差分和共模信號(hào)示例。
在表1中，下面列出了如何連接每個(gè)應(yīng)用的放大器和轉(zhuǎn)換器的快速摘要，以及圖2所示的一些適當(dāng)電路示例。
圖2.放大器/轉(zhuǎn)換器前端的交流耦合與直流耦合應(yīng)用示例。
| 應(yīng)用 | 放大器 | 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 | 筆記 |
| 直流耦合 | 在 DS 指定的限制范圍內(nèi)設(shè)置 VOCM。使用 ADC V 的分壓器或緩沖放大器裁判/CML 引腳。 | 不提供 CM 偏置。 | 確保放大器和ADC CM偏置都在彼此的范圍內(nèi)。否則，不匹配將導(dǎo)致錯(cuò)誤。 |
| 交流耦合（帶無緩沖 ADC） | 在 DS 指定的限制范圍內(nèi)設(shè)置 VOCM。使用分壓器或其他一些穩(wěn)定的偏置點(diǎn)。 | 集合 V在CM 偏置至 AVDD/2。使用分壓器或CML引腳提供CM偏置。 | 將交流耦合電容放在放大器的輸出端。 |
| 交流耦合（帶緩沖型 ADC） | 在 DS 指定的限制范圍內(nèi)設(shè)置 VOCM。使用分壓器或其他一些穩(wěn)定的偏置點(diǎn)。 | 不提供 CM 偏置。V在引腳自偏置至 AVDD/2 + 0.7。 | 將交流耦合電容放在放大器的輸出端。 |
共模：損壞
如果未提供或維持共模偏置，則轉(zhuǎn)換器將產(chǎn)生增益和失調(diào)誤差，這些誤差會(huì)降低到所采集的整體測量值。簡而言之，轉(zhuǎn)換器輸出如圖3所示或圖3的某種變體。輸出頻譜將呈現(xiàn)為看起來像過載的滿量程輸入。這意味著轉(zhuǎn)換器的零點(diǎn)偏離中心而不是最佳狀態(tài)。設(shè)計(jì)人員可能會(huì)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)換器會(huì)提前削波或無法達(dá)到轉(zhuǎn)換器的滿量程。最近，由于轉(zhuǎn)換器使用1.8 V或更低的電源，這個(gè)問題變得更加嚴(yán)重。這意味著模擬輸入的CM偏置為0.9 V或AVDD/2。并非所有單電源放大器都能支持如此低的共模電壓，同時(shí)保持相對(duì)良好的性能。然而，一些新的放大器已經(jīng)適應(yīng)了這一點(diǎn)，并且今天已經(jīng)上市。因此，謹(jǐn)慎的做法是審查哪些放大器可以在您的新設(shè)計(jì)中使用。不是任何舊的放大器都能工作，因?yàn)樵Ａ靠赡軙?huì)變得非常有限，內(nèi)部晶體管開始塌陷。如果雙電源與放大器一起使用，則在大多數(shù)情況下應(yīng)有足夠的裕量，以實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)腃M偏置。不利的一面是額外的供應(yīng)——可能是非標(biāo)準(zhǔn)的負(fù)供應(yīng)，這意味著更多的零件和更多的錢。簡單的逆變器電路將幫助解決這個(gè)問題。
圖3.放大器和轉(zhuǎn)換器之間的CM不匹配。
將一切整合在一起
現(xiàn)在了解了共模和直流耦合，我們可以開始組合一個(gè)信號(hào)解決方案。例如，ADL5567是一款增益為20 dB的雙通道差分放大器。它具有4.8 GHz帶寬，適合與GSPS ADC接口，例如AD9625是一款12位、2.5 GSPS轉(zhuǎn)換器，帶有JESD204B 8通道接口。圖 4 顯示了該設(shè)置的整體框圖。
圖4.DC-WB放大器/轉(zhuǎn)換器信號(hào)鏈?zhǔn)纠?/strong>
在所示的配置中，前端接口針對(duì)寬帶采樣進(jìn)行了優(yōu)化，同時(shí)保留了直流信號(hào)內(nèi)容。由于該器件具有+5.5 V容限。該設(shè)計(jì)采用+3.3 V和?2 V AVDD分離電源。這使得放大器輸出和ADC輸入之間的共模對(duì)齊變得簡單，兩者在兩個(gè)A上都需要+0.525 V。在+ 和 A在?. 另外，請(qǐng)注意，幾個(gè)放大器引腳功能是接地的（V黨衛(wèi)軍），現(xiàn)在僅使用單個(gè)電源強(qiáng)制使用?2 V電源（newV 黨衛(wèi)軍).
CM電壓輸出相當(dāng)簡單，但了解放大器輸入的共模需求可能有點(diǎn)棘手。對(duì)于接口，這里需要做兩件事。首先，輸入CM電壓需要配置為0 V，否則，用失調(diào)驅(qū)動(dòng)放大器將使輸出軌偏向一側(cè)。這將導(dǎo)致圖3所示的性能問題或更糟的情況，即放大器和轉(zhuǎn)換器信號(hào)鏈的交流性能較差。為此，放大器輸入的每一側(cè)都需要允許電流流向地，在這種直流耦合情況下為2 V。因此，在每個(gè)放大器輸入端增加一個(gè)2.2 kΩ電阻，以消除該失調(diào)電流。
工作原理如下：放大器輸出為~0.525 V，放大器的輸入CM電壓為0 V。使用500 Ω的內(nèi)部反饋電阻和大約50 Ω的輸入電阻，這看起來像550 Ω;或者在我們的例子中，我們假設(shè) 50 Ω源電阻與 100 Ω并聯(lián)，這給了我們 33 Ω。串聯(lián)中額外的 20 個(gè)Ω加起來就是 53 Ω。它與 500 Ω 內(nèi)部反饋電阻串聯(lián)，總計(jì) 553 Ω。這意味著開發(fā)了500 Ω和53 Ω的0.525 V電阻分壓器。反過來，產(chǎn)生 900 μA 的電流（或 0.525/553）。將其分流到地面或新的 V黨衛(wèi)軍或?2 V，增加一個(gè)2.2 kΩ電阻或?2 V/2.2 kΩ = 900 μA。
其次，輸入是單端的，需要正確配置以保持最佳性能，同時(shí)保持低偶階失真。同樣，如前所述，有效 100 Ω與 50 Ω源電阻并行產(chǎn)生相當(dāng)于 33.33 Ω的戴維寧。反過來，這通常反映在兩個(gè) V 上。在節(jié)點(diǎn)來平衡設(shè)備的輸入，因?yàn)樗菃味蓑?qū)動(dòng)的。但是，為了改善偶數(shù)階失真，V上的20 Ω在+節(jié)點(diǎn)用于在所有寬帶頻率上保持低失真。這是通過使用特定的中頻~500 MHz來完成的，或者參見圖5作為測試用例。這可能很乏味，因?yàn)樗且粋€(gè)迭代過程。對(duì)于 S 中的計(jì)算和方程E有關(guān)放大器上的差分轉(zhuǎn)換，請(qǐng)參見ADA4932數(shù)據(jù)手冊(cè)。圖6所示信號(hào)鏈設(shè)計(jì)的典型交流性能掃描輸入頻率高達(dá)2 GHz。
圖5.典型 FFT 性能 @ 507 MHz A在@ 2500 MSPS。
圖6.典型交流頻率掃描性能 @ 2500 MSPS。
還值得注意的是，增加了與電源正電源軌輸入串聯(lián)的5.1 nH電感。這有助于通過在放大器內(nèi)部捕獲和再循環(huán)這些不平衡電流，再次提高偶數(shù)階線性度性能。
最后，需要針對(duì)放大器和ADC之間的前端帶寬優(yōu)化接口。這通常也以迭代方式完成。但是，關(guān)于兩個(gè)IC之間的某些值的設(shè)置，有幾個(gè)注意事項(xiàng)需要牢記?？梢詰?yīng)用以下規(guī)則列表，以便從界面中獲得最佳BW。
首先，選擇一個(gè)反沖電阻（R知識(shí)庫）、（在本例中Ω），基于經(jīng)驗(yàn)和/或ADC數(shù)據(jù)手冊(cè)建議，通常在5 Ω到36 Ω之間。
然后，選擇放大器外部串聯(lián)電阻（R一個(gè)).使 R一個(gè)<如果放大器差分輸出阻抗為100 Ω至200 Ω，則Ω 10。一個(gè)如果放大器的輸出阻抗為 12 Ω或更低，則在 5 Ω 和 36 Ω 之間。本例為ADL5567選擇10 Ω串聯(lián)電阻，差分輸出阻抗為10 Ω。
從放大器輸出端看到的串聯(lián)和并聯(lián)電阻的總組合應(yīng)接近放大器的額定負(fù)載（RL）。在這種情況下，160 Ω或 2 R一個(gè)+ 2 R知識(shí)庫+ R模數(shù)轉(zhuǎn)換器= 20 + 40 + 100，在圖4的電路中。ADL5567的特性RL為200 Ω因此，如果設(shè)計(jì)偏離放大器的表征RL太遠(yuǎn)，線性度性能可能會(huì)有一些偏差。
最后，內(nèi)部ADC電容C模數(shù)轉(zhuǎn)換器，添加到 10 Ω串聯(lián)電阻之后顯示的分流 C，以幫助從內(nèi)部 ADC 的采樣網(wǎng)絡(luò)反沖。這還提供軟低通濾波，以減少帶內(nèi)折返的任何寬帶諧波。
有關(guān)在放大器和ADC之間開發(fā)抗混疊濾波器的更完整過程，請(qǐng)參見CN-0227和CN-0238。
使用上述標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)了2 GHz通帶平坦度響應(yīng)，以捕獲1圣和 2德·奈奎斯特區(qū)，假設(shè)采樣率為2.5 GSPS。本設(shè)計(jì)的輸入驅(qū)動(dòng)規(guī)格最終為?8 dBm或252 mV p-p，假設(shè)輸入阻抗為50 Ω，基準(zhǔn)電壓源為100 MHz。這是放大器輸入達(dá)到滿量程所需的輸入滿量程電平。
圖7.典型的通帶平坦度性能和輸入驅(qū)動(dòng)電平。
結(jié)論
忽視轉(zhuǎn)換器的共模輸入電壓規(guī)格可能會(huì)對(duì)任何直流耦合設(shè)計(jì)造成嚴(yán)重破壞。如果使用多個(gè)級(jí)，則整個(gè)信號(hào)鏈中的共模電平必須保持不變，以防止兩個(gè)組件相互沖突。如果沒有正確耦合，人們通常會(huì)在任何階段之間獲勝，從而產(chǎn)生虛假的測量結(jié)果。
對(duì)于交流耦合應(yīng)用，在兩級(jí)之間使用耦合電容來消除共模失配。例如，這允許設(shè)計(jì)優(yōu)化放大器輸出和ADC輸入的偏置。
否則，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要涉及雙電源或電平轉(zhuǎn)換電路，如上述直流耦合設(shè)計(jì)中所述。
審核編輯：郭婷
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