高性能運算放大器與ADC的接口設計

用來驅動高分辨率模數(shù)轉換器(ADC)的信號源具有數(shù)百歐姆或更大的高頻交流負載和直流負載。因此，具有數(shù)兆歐姆高輸入阻抗以及低輸出阻抗的高性能運算放大器是輸入ADC驅動器的理想選擇。ADC驅動器被用作緩沖器和低通濾波器以降低整體系統(tǒng)噪聲。利用這三種不同驅動架構中的其中一種，來設計高性能運算放大器與ADC的接口，你就能夠提升系統(tǒng)性能。

用來驅動高分辨率模數(shù)轉換器(ADC)的信號源具有數(shù)百歐姆或更大的高頻交流負載和直流負載。因此，具有數(shù)兆歐姆高輸入阻抗以及低輸出阻抗的高性能運算放大器是輸入ADC驅動器的理想選擇。ADC驅動器被用作緩沖器和低通濾波器以降低整體系統(tǒng)噪聲。

當信號沿著PCB走線和很長的電纜傳輸時，系統(tǒng)中的信號噪聲在累積，差分ADC抑制所有以共模電壓出現(xiàn)的信號噪聲。采用差分信號而不是單端信號有兩個優(yōu)點：差分信號可使ADC動態(tài)范圍擴大兩倍，以及提供更好的諧波失真性能。

通過雙運算放大器結構產(chǎn)生差分信號的方法有好幾種，兩種常見方法是單端-差分轉換和差分-差分轉換。前者要求單輸入源，后者要求差分輸入源。為利用ADC的整個動態(tài)范圍，必須將輸入驅動至滿量程輸入電壓。

信號路徑的基本考慮要素

有效設計信號路徑模擬前端必須連接一些關鍵的元件(圖)。典型的信號路徑模擬前端包括驅動ADC的運算放大器、RC濾波器以及微控制器或者數(shù)字信號處理器(DSP)。

典型的信號通道模擬前端包括驅動ADC、RC濾波器以及MCU或DSP的運算放大器。

實際的輸入源阻抗可能并非理想，因此必須用輸出阻抗非常低的緩沖放大器來驅動ADC輸入。外部RL-CL濾波器用作抗混疊濾波器，它有助于降低ADC驅動器的噪聲帶寬，并對ADC采樣保持電路產(chǎn)生的充電瞬變進行緩沖。為盡量降低輸入電壓的下降，外部并聯(lián)電容值(CL)應該比ADC內(nèi)部輸入電容大10倍左右。此外，外部串聯(lián)電阻(RL)應該足夠大，以便在運算放大器輸出端保持相位延遲，從而保持穩(wěn)定性。

在運算放大器輸出與ADC輸入之間接串聯(lián)隔離電阻對大多數(shù)應用都有好處。這個串聯(lián)電阻有助于限制運算放大器的輸出電流。串聯(lián)電路的阻值選擇很重要，較大的阻值則將增加從運算放大器端看過去的負載阻抗，并改善運算放大器的總諧波失真(THD)性能。不過，ADC最好由低阻抗源驅動，因此，必須找出此串聯(lián)電阻的最佳阻值，以提供運算放大器和ADC組合電路的最佳指標，包括THD、信噪比(SNR)和無雜散動態(tài)范圍(SFDR)。

當將ADC與運算放大器進行接口，必須了解對獲得所期望性能結果而言非常重要的技術參數(shù)?，F(xiàn)代ADC的交流參數(shù)，如THD、SNR、建立時間以及SFDR，在濾波、測試與測量、視頻和重建應用中都很關鍵。高性能運算放大器的建立時間、THD和噪聲性能必須好于被驅動的ADC的相應值，以使系統(tǒng)具有合適的精度，而誤差卻最小或者沒有誤差。

在本文設計中，可以采用LMH6611或 LMH6618單運算放大器來驅動單通道ADC121S101 ADC，可以采用LMH6612 或LMH6619雙運算放大器來驅動差分輸入ADC121S625 或ADC121S705 ADC。這些放大器專門為要求高速、低電源電流、低噪聲以及具有驅動復雜ADC和視頻負載能力的大范圍應用而設計，使用起來非常方便。

關鍵的運算放大器和ADC參數(shù)

有些系統(tǒng)應用要求低THD、低SFDR和寬動態(tài)范圍。有些系統(tǒng)則要求高SNR，這可能為了突出噪聲性能而犧牲THD和SFDR。

對運算放大器和ADC而言，噪聲是非常重要的技術參數(shù)。影響ADC總體性能的噪聲源主要有三個，即量化噪聲、ADC本身產(chǎn)生的噪聲(特別是在較高頻率下)以及應用電路產(chǎn)生的噪聲。輸入源的阻抗可影響運算放大器的噪聲性能。理論上，ADC的SNR可用下式求得：

SNR=6.02N+1.72 單位：dB

其中，N是ADC的分辨率。根據(jù)上式，12位ADC的SNR是74dB。不過，實際SNR值可能為72dB左右。為獲得更好的SNR性能，ADC驅動器噪聲應該盡可能低。LMH6611/LMH6612/LMH6618/LMH6619電壓噪聲只有10nV/vHz。

ADC驅動器的THD本身就應比ADC的THD低。LMH6618/LMH6619在2V(峰峰值)輸出和100kHz輸入頻率下的SFDR為100dBc。LMH6611/LMH6612在2V(峰峰值)輸出和1MHz輸入頻率下的SFDR為90dBc。

信噪失真比(SINAD)是綜合了SNR和THD的一個參數(shù)。SINAD定義為輸出信號RMS值與低于時鐘頻率一半的所有其它頻譜分量(包括諧波但不包括直流)RMS值的比，是衡量整體ADC動態(tài)性能的一個參數(shù)。可根據(jù)下式從SNR和THD得到SINAD：