Global Sources
電子工程專輯
 
電子工程專輯 > 放大/轉換
 
 
放大/轉換  

差分直流耦合ADC輸入電路設計

上網時間: 2010年09月03日  打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:ADC  DC耦合  共模電壓  混頻器  FemtoCharge 

隨著 ADC 的供電電壓不斷降低,且輸入訊號擺幅不斷降低,對輸入訊號共模電壓的精確控制顯得越來越重要。交流耦合輸入相對比較簡單,而直流耦合輸入就較為複雜。

典型的例子是正交下變頻(混頻器)輸出到 ADC 輸入的電路設計。混頻器輸出的是差分訊號,其共模電壓誤差往往較大,在送到 ADC 輸入端之前需要進行濾波,且要把直流電平轉換到 ADC 輸入所需的電平上。如此一來,設計將更具挑戰性。

放大器輸出端和 ADC 輸入端之間,往往需要二階濾波電路。一方面,需要在ADC輸入接腳前面放置電容來吸收 ADC 內採樣保持電路的開關干擾。另一方面,需要在放大器輸出端放置電阻或電感來隔離這個容性負載,因而確保放大器的輸出穩定。設計二階濾波的目的是獲得更好的濾波特性和截止頻率。如果ADC 內部輸入端沒有buffer,例如Intersil的 FemtoCharge 系列 ADC , ADC 輸入端會有明顯的週期性(與採 樣頻率一致)吸收電流。這樣,確保輸入訊號直流電平控制在ADC所需的電平範圍內就顯的非常重要。

新型的全差分放大器(FDA)可以控制輸出差分訊號的共模電壓,而這個輸出共模電壓完全與輸入電壓無關。請記住,這是透過在ADC Vcm接腳上輸出特定電壓實現的,與輸入端訊號鏈上的共模電壓完全無關。而從FDA輸出到ADC輸入端之間不可避免會有電壓降,這是由於線路上的等效阻抗造成的。這樣,實際到達ADC輸入端的共模電壓不可避免會有一定誤差,誤差大小與ADC輸入電流以及不同元件要求的不同共模電壓相關,存在著一定的不確定性。目前大部份的高速ADC都是1.8V供電,所需輸入共模電壓大多在0.4-0.8V之間,而且可以接受的誤差範圍都較小。大多數新推出的ADC都會列出SFDR vs Vcm的曲線,Vcm與Vcm典型值之間不超過+/-200mV。

另外一個問題是:在 FDA 的直流耦合差分輸出應用中,必然會有共模電流流過放大器反饋電路,在某些FDA型號或者應用中,這個電流會較大,甚至超過混頻器的額定電流,並且/或者反過來對FDA前面的輸入電流的共模電壓產生影響,甚至導致訊號飽和。這些問題必須在設計直流耦合ADC輸入電路的時候加以充分考慮。

下圖的設計是一個不錯的替代方案。用兩個電流反饋放大器(CFA)作為訊號通路上的放大器,用一個低成本的電壓反饋放大器形成一個反饋網路來控制訊號通路的共模電壓。


圖中從左到右:

下變頻器輸出一個交流差分訊號,共模電壓是某個特定的值Vcm1。然後透過一個LC濾波電路來濾除高頻雜訊和鏡像頻率。濾波器由一個小電阻串聯一個電感,再下拉一個電容形成。濾波器後面是有Rg和Rt組成的阻抗匹配網路。請別忘了,如果需要保持訊號的直流分量,濾波器內只需要L就可以了。

Rt和Rb不是必須的。Rt>Rg,Rt設置了濾波器端接阻抗的一部份(CFA的負輸入端是低阻抗的,Rg在此處可視為接地連接)。這個電阻網路的作用之一是利用混頻器的輸出共模電流在Rg上形成電壓降,因而將共模電壓控制在CFA負輸入端的動態範圍內。很多情況這個電阻網路不是必須的,只需要Rg做端接就可以了。不過,Rb的確可以有效地將共模電壓控制在所需要的電平上而不影響交流訊號。代價是增大了一點電流。

Rg和Rf共同組成運算放大器的增益。與VFA不一樣,CFA的Rf 值需要參考元件推薦的值。Rf過大,會對運算放大器過補償,降低頻寬,增大電流雜訊。Rf過小,會在輸出端產生過衝。圖中的值是針對EL5167頻寬大於400MHz應用的典型值。

運算放大器輸出端是一對差分RLC濾波器。選擇元件參數時首先是選擇符合ADC輸入特性的電容值。電感值較小更合適,以免電感自身諧振頻率落在濾波器通帶之內。串聯電阻的作用是將運算放大器與其感性/容性負載隔離,保持運算放大器穩定,還能對ADC輸入發揮一定的保護作用,避免過大的電流流入ADC,但是會造成一定的訊號衰減。最後是一個並聯電阻,實際上ADC內部輸入端也有這樣一個電阻,這兩個電阻並聯將阻值減半。這個電阻感應訊號的共模電壓,而又對訊號本身不產生影響。這個濾波器為二階低通濾波器,截止頻率102MHz,Q值0.9。這樣訊號會有輕微過衝,但是二階-3dB頻寬123MHz。結合KAD5610P-25,雙10位元,250MSPS FemtoCharge ADC,濾波器可以有效濾除訊號鏈及放大器帶來的雜訊。在採樣率250MSPS時,ADC輸入DC電流大約是1.1mA,而從放大器到ADC之間的阻抗為60.4歐姆,那麼DC電壓降為66.4mV。這個電壓降可以用ISL28113組成的反饋補償網路來補償。

在±5V供電時,EL5167輸出擺幅為±3.9V。ADC供電為單1.8V。內部的保護二極體在輸入訊號超出範圍0.6V以上時打開。60.4歐姆的串聯電阻保證了二極體打開時的電流不超過24mA(正端)和54mA(負端),這樣可以有效保護元件不受損壞。

ADC會提供一個Vcm參考電壓輸出。這個功能非常有用,尤其針對多工ADC(如KAD5610P-25)上電校準,可以消除元件之間的Vcm誤差,讓多工ADC之間的Vcm值保持高度一致,而且精確性很高。將圖中的Vcm2與放大器出路訊號上的Vcm進行比較,然後通過ISL28113的反饋網路,可以實現這個功能。低速的ISL28113 VFA將兩個電壓的差送到高頻CFA的正向輸入端,可以使CFA輸出的Vcm始終與Vcm2保持一致。這樣,我們不再需要考慮混頻器或者其它元件產生的Vcm誤差了。

圖中其它一些元件是可選的或者是針對所選元件的。

Vcm2端接地的1k歐姆電阻是用來下拉的,產生一個下拉電流。由於KAD5610-25只能輸出電流,而運算放大器電路需要雙向電流。下拉電阻可以提供雙向電流。

兩個Ra電阻從運算放大器輸出端連接負電壓,因而產生一個Class A電流。這樣可以減少訊號輸出的失真同時又不影響電路的頻率響應。通常,增加一個ClassA下拉電流(<5mA)可以顯著的改善差分訊號中的三階諧波失真。不過,這種高階諧波失真在差分架構中本來就比較弱。

VFA輸出端的電壓要通過一個低通濾波器再送到CFA正向輸入端。它是由一個1k歐姆電阻和0.1uF電容組成的。可以有效濾除訊號中的雜訊,20歐姆電阻可以降低系統Q值,保持系統穩定。

混頻器和運算放大器之間的LC濾波器用一個電阻Rg做端接。通常,如果運算放大器是VFA,這個端接電阻會導致濾波器通帶之外運算放大器‘虛地’點的等效阻抗增大。但是,如果用CFA,就不會用這個問題。CFA開環增益會在300MHz左右下降,反向輸入端依然可以保持低阻抗,因為CFA內部有開環緩衝器驅動輸入級,可以保持輸入級的低阻抗。這些緩衝器的頻寬大於1.5GHz,所以即使訊號頻率高於CFA頻寬,負輸入端依然可以保持低阻抗。

這個設計可以支援直流到100MHz頻率。兩個EL5167的功耗總計僅170mV,ISL28113功耗900uW,雙10位元,250MSPS ADC的功耗410mW。這個設計具有超低功耗的特點,每通道的總功耗僅376mW。

作者:Michael Steffes

資深應用經理

Intersil Corporation





投票數:   加入我的最愛
我來評論 - 差分直流耦合ADC輸入電路設計
評論:  
*  您還能輸入[0]個字
*驗證碼:
 
論壇熱門主題 熱門下載
 •   將邁入40歲的你...存款多少了  •  深入電容觸控技術就從這個問題開始
 •  我有一個數位電源的專利...  •  磷酸鋰鐵電池一問
 •   關於設備商公司的工程師(廠商)薪資前景  •  計算諧振轉換器的同步整流MOSFET功耗損失
 •   Touch sensor & MEMS controller  •  針對智慧電表PLC通訊應用的線路驅動器
 •   下週 深圳 llC 2012 關於PCB免費工具的研討會  •  邏輯閘的應用


 
返回頁首