一种差分直流耦合ADC输入电路设计

一种差分DC耦合模数转换器输入电路的设计随着模数转换器电源电压的不断降低和输入信号摆幅的不断减小，精确控制输入信号的共模电压变得越来越重要。交流耦合输入相对简单，而DC耦合输入相对复杂。一个典型的例子是正交下变频(混频器)输出到模数转换器输入的电路设计。混频器输出差分信号，其共模电压误差通常很大。在发送到模数转换器输入端之前，需要对其进行滤波，并且DC电平必须转换为模数转换器输入所需的电平。这种设计更具挑战性。放大器输出和模数转换器输入之间通常需要一个二阶滤波器电路。一方面，需要在模数转换器输入引脚前放置一个电容，以吸收模数转换器采样保持电路的开关干扰。另一方面，应在放大器的输出端放置一个电阻或电感，以隔离该容性负载，从而确保放大器的稳定输出。设计二阶滤波是为了获得更好的滤波特性和截止频率。如果在模数转换器的内部输入端没有缓冲器，例如Intersil的飞秒充电系列模数转换器，模数转换器的输入将吸收具有明显周期性的电流(与采样频率一致)。因此，确保输入信号的DC电平控制在模数转换器要求的电平范围内非常重要。新型全差分放大器可以控制输出差分信号的共模电压，该电压完全独立于输入电压。请记住，这是通过在ADC Vcm引脚上输出特定电压来实现的，完全独立于输入信号链上的共模电压。然而，从食品和药物管理局输出到模数转换器输入不可避免地会有电压降，这是由线路上的等效阻抗引起的。这样，到达模数转换器输入端的实际共模电压将不可避免地存在某些误差。误差大小与模数转换器输入电流和不同器件所需的不同共模电压有关，存在一定的不确定性。目前，大多数高速模数转换器由1.8V供电，所需的输入共模电压大多在0.4-0.8V之间，可接受的误差范围很小。大多数新推出的ADC列出了SFDR与Vcm的关系曲线，Vcm与Vcm之间的典型值不超过/-200mV。另一个问题是，在美国食品和药物管理局的DC耦合差分输出应用中，一定会有共模电流流过放大器反馈电路。在某些美国食品和药物管理局模型或应用中，该电流将大于甚至超过混频器的额定电流，和/或对美国食品和药物管理局前面的输入电流的共模电压产生不利影响，甚至导致信号饱和。在设计DC耦合模数转换器输入电路时，必须充分考虑这些问题。下面的设计是一个很好的选择。两个电流反馈放大器(CFA)用作信号路径中的放大器，并且低成本的电压反馈放大器形成反馈网络来控制信号路径的共模电压。在图中从左到右：下变频器输出交流差分信号，共模电压为特定值Vcm1。然后用液晶滤波电路滤除高频噪声和镜像频率。该滤波器由一个小电阻、一个串联电感和一个下拉电容组成。滤波器后面是由Rg和Rt组成的阻抗匹配网络。请不要忘记，如果需要保持信号的DC分量，滤波器中只需要l。Rt和Rb不是必需的。RtRg，Rt设置滤波器端接阻抗的一部分(CFA的负输入为低阻抗，Rg在此可视为接地)。该电阻网络的功能之一是利用混频器的输出共模电流在Rg上形成压降，从而将共模电压控制在CFA负输入的动态范围内。在许多情况下，该电阻网络不是必需的，但端接只需要Rg。然而，铷可以有效地控制共模电压在所需的水平，而不影响交流信号。这个价格有点新。Rg和Rf共同构成运算放大器的增益。与VFA不同，CFA的射频值需要参考设备的推荐值。如果Rf过大，将会补偿传输损耗，降低带宽并增加电流噪声。如果Rf太小，输出端会出现过冲。图中的值是EL5167带宽大于400兆赫的典型应用。运算放大器的输出是一对差分RLC滤波器。选择器件参数时，第一步是选择满足模数转换器输入特性的电容值。较小的电感更适合避免电感自身的谐振频率落入滤波器通带。串联电阻用于将运算放大器与其感性/容性负载隔离，保持运算放大器稳定，并在一定程度上保护模数转换器输入，防止过大电流流入模数转换器，但会导致一定的信号衰减。最后，还有一个并联电阻。事实上，在模数转换器的内部输入端也有这样一个电阻。两个电阻并联连接，使电阻减半。该电阻感应信号的共模电压，而不影响信号本身。该滤波器是一个二阶低通滤波器，截止频率为102兆赫，Q值为0.9。该信号会有轻微的过冲，但二阶3dB带宽为123MHz。该滤波器与KAD5610P-25、双10位、250MSPS飞秒充电模数转换器相结合，可有效滤除信号链和放大器的噪声。采样速率为250MSPS时，模数转换器输入DC电流约为1.1毫安，放大器到模数转换器的阻抗为60.4欧姆，因此DC压降为6 *毫伏。这个电压降可以通过由ISL28113组成的反馈补偿网络来补偿。当提供5V电源时，EL5167的输出摆幅为3.9V，模数转换器提供1.8V单电源。当输入信号超过0.6V范围时，内部保护二极管断开.60.4欧姆的串联电阻确保二极管开启时的电流不超过24mA(正极)和54mA(负极)，从而有效保护器件免受损坏。该模数转换器提供一个Vcm基准电压输出。该功能非常有用，特别是对于多通道ADC(如KAD5610P-25)的上电校准，它可以消除器件之间的Vcm误差，并保持多通道ADC之间的Vcm值高度一致和高精度。该功能可通过将图中的Vcm2与放大器出口信号上的Vcm进行比较，然后通过ISL28113的反馈网络来实现。低速ISL28113 VFA将两个电压之间的差值发送到高频CFA的正向输入端，这可以使CFA的Vcm输出始终与Vcm2一致。这样，我们就不再需要考虑混频器或其他器件产生的Vcm误差。图中的其他设备是可选的或针对所选设备的。Vcm2端接地的1k欧姆电阻用于下拉并产生下拉电流。由于KAD5610-25只能输出电流，运算放大器电路需要双向电流。下拉电阻可以提供双向电流。两个电阻连接到运算放大器输出端的负电压，从而产生一个A类电流。这可以减少信号输出的失真，而不影响电路的频率响应。一般来说，增加一个ClassA下拉电流(5mA)可以显著改善差分信号中的三阶谐波失真。然而，这种高阶谐波失真在差分架构中固有地很弱。VFA输出端的电压通过低通滤波器发送到CFA正向输入端。它由一个1k欧姆电阻和一个0.1uF电容组成。信号中的噪声可以被有效滤除，20欧姆的电阻可以降低系统的Q值，保持系统稳定。混频器和运算放大器之间的LC滤波器由电阻Rg端接。通常，如果运算放大器是VFA，该终端电阻将导致滤波器通带外“虚地”点的等效阻抗增加。但是，如果使用CFA，将不会使用此问题。CFA的开环增益将下降约300兆赫，反向输入仍然可以保持低阻抗，因为CFA内部有一个开环缓冲器驱动输入级，可以保持输入级的低阻抗。这些缓冲器的带宽大于1.5千兆