别“糟蹋”了你的高性能ADC,给它一个最佳匹配电路吧

日期:2019-08-23

 

常看NBA或者各种足球联赛这种多人球类运动的工程师,大概一定常常记住了里面的明星运动员的精彩表现,但很有可能忽略了其他角色球员,没有他们恰到好处的助攻/抢断,很多精彩的入球将不可能呈现。对于我们的电路设计,其实何尝不是呢?小到电阻电容,每一个元器件都扮演着不可或缺的角色。以高性能ADC器件为例,即使指标非常棒的数据转换器,没有很好的滤波电路、驱动电路支持,再优秀的线性度、低噪声、高精度……都可能将黯然失色。本文以高性能模拟技术提供商ADI的几款ADC为例,从其驱动电路和滤波电路的选择谈起,看如何通过匹配电路实现ADC的设计性能。
 
距离出色的线性度,你可能还差一个放大器
LTC2185 是一款16位、125 MSPS ADC,具有出色的噪声性能和线性度,同时每通道所需功耗仅为185 mW。它非常适合要求严苛且需要出色交流性能的低功耗应用。LTC2185等高性能ADC需要配备高性能放大器,以保持其出色性能。ADA4927-1 可满足LTC2185的线性度 需求,同时功耗仅为215 mW。采用精心设计封装的ADA4927-1,可减少反馈路径中的寄生电容,从而实现简单布局,提高放大器的相位裕量。这种ADC和驱动器组合可在其他高速放大器无法满足的62.5 MHz至125 MHz区间提供出色的性能。
 
作为一款双通道同步采样并行ADC,LTC2185可提供全速率CMOS和双倍数据速率 (DDR) CMOS/LVDS数字输出端供选择。引脚兼容的速度等级选项包括25 MSPS、40 MSPS、65 MSPS、80 MSPS和105 MSPS,同时近似功耗仅为每通道1.5 mW/MSPS。它具有数字输出随机数发生器和交替极性  (ABP)  模式等特性,采用并行CMOS输出时,可最大限度减少数字反馈。550 MHz的模拟全功耗带宽和0.07 ps rms的超低抖动允许进行IF频率的欠采样,同时可实现出色的噪声性能。为保持此性能水平,LTC2185需使用适当的放大器来驱动。
 
ADA4927是一款高速差动电流反馈型放大器。ADA4927-1采用AID公司的硅-锗工艺制造,具有出色的失真性能,输入电压噪声仅为1.3 nV Hz。因此,它可以驱动LTC2185之类的高速ADC。ADA4927-1的增益由输入引脚旁的外部反馈电阻设定。ADA4927-1的反馈引脚和输入引脚在封装上的位置非常近,可实现简洁布局,并可将反馈网络中的寄生电容降至最低。因此,ADA4927-1非常适合驱动DC至125 MHz的高性能ADC,例如LTC2185。
 
图1显示ADA4927-1驱动LTC2185的原理图。相应的布局参见图2。ADA4927-1的反馈引脚紧挨着输入引脚,从而可将反馈节点的寄生电容降至最低,同时提高放大器的相位裕量。将反馈电阻直接跨接于两个引脚,并避免在反馈路径中额外增加走线,还可简化布局。放大器和ADC之间有一个简单的滤波器,用于降低放大器的宽带噪声,同时改善系统的SNR。该滤波器还可在ADC引起的采样毛刺抵达放大器之前,对其进行衰减。这有助于防止ADA4927的输出网络响应这些毛刺而发生振荡。该滤波网络可根据各种输入带宽要求进行修改。

图1. ADA4927-1驱动LTC2185一个通道的原理图。

图2. ADA4927-1驱动LTC2185一个通道的布局图。
图3和图4显示LTC2185和ADA4927-1组合的SNR和SFDR。频率为125 MHz时,SFDR保持在67 dB之上,而SNR则优于63 dB。该组合的功耗仅为250 mW。采样速率为125 MSPS的情况下,在整个第二奈奎斯特频率区域,该组合可提供良好的性能,而其他放大器的线性度开始变差。

图3. 采用ADA4927-1驱动LTC2185的SNR。

图4. 采用ADA4927-1驱动LTC2185的SFDR。
使用ADA4927-1驱动LTC2185可提供出色的线性度,同时保持较低的功耗。ADA4927-1在频率为125 MHz时仍可保持非常出色的线性度,从而使该ADC放大器组合可用于要求苛刻且需要使用LTC2185第二奈奎斯特频率区域的通信和医疗应用。ADA4927-1的引脚和滤波器设计使布局得到极大简化,同时在符合低功率预算的基础上确保出色的性能。
 
输入网络这样设计,让ADC性能“原汁原味”
AD9265是一款16位125Msps高性能ADC,100MHz时的SNR优于77dB,SFDR优于89dB。基于该ADC设计时,输入网络若选择不当上述特性可能很快不保。几乎所有情况下,ADC与放大器之间都需要滤波器来降低最终滤波器的宽带噪声。此滤波器的设计和布局均很关键。它应为吸收式,将采样过程中的高频非线性成分吸收到50Ω端接电阻中,而不允许其反射回到ADC输入端。LTC6409是一款差分放大器,具有出色的线性度,非常适合驱动AD9265。

图5:LTC6409和AD9265之间的滤波器网络
 
图5显示了一个可用在LTC6409和AD9265之间的吸收式滤波器网络。
 
 
图6显示了滤波器响应性能。此滤波器不需要具有高选择性,其作用只是衰减放大器的宽带噪声和采样过程中的非线性成分。在高频时,电感开路,电容短路,将采样过程的高频成分导入50Ω端接电阻中。如果走线布置在50Ω电阻处,则不会有任何回路反射,ADC的SFDR不会下降。

图6:图5所示电路的仿真滤波器响应
 
另一个可能的失真原因是输入网络布局不对称。在理想布局中,信号的差分性质可提供出色的共模抑制和非常低的二次谐波失真。任何对称性偏离都会引起差分信号的不匹配,表现为二次谐波失真。哪怕一个很简单的设计决策,比如灌铜更靠近差分信号的某一侧,都会引起相邻接地层中的接地电流出现差异。这会增加系统失真。为使性能最佳,必须保持绝对对称。
 
图7显示了LTC6409驱动AD9265和滤波器网络的PCB布局。其中采取了措施来保护网络的对称性,并且适当定位吸收式元件以使其效果最佳。第一组吸收式元件的位置使其能够立即吸收任何高频产物。主信号路径在接地铜箔周围蜿蜒,直至达到第二组吸收式元件,最终到达放大器端的源端接电阻。此网络最大限度地发挥了LTC6409和AD9265的性能。
 

 
图7:LTC6409和AD9265的布局
 
为了比较LTC6409和AD9265的性能,设计了一块电路板来通过DC890连接PScope软件。填充图1中的吸收式滤波器和图8中的反射式滤波器,并在不同频率下进行测试。

图8:用在LTC6409和AD9265之间的反射式滤波器
AD9265采用125Msps低抖动时钟,LTC6409用一个48.1到178.1 MHz的滤波正弦信号来驱动。SNR和SFDR利用PScope记录。在图9中可看到收集的样本数据。

 
图9:PScope收集的样本数据以125Msps速率采样58.1MHz信号
 
采用吸收式滤波器和反射式滤波器的SNR和SFDR对比如图6和图7所示。采用吸收网络的SFDR自始至终都更好,在某些点超出10dB之多;SNR同样自始至终都更好,直至在非常高的频率时,SNR由其他因素决定。

 
图10:吸收式和反射式滤波器的SNR比较
 

图11:吸收式和反射式滤波器的SFDR比较
 
采用吸收网络的系统性能优于采用反射网络的系统。当使用反射网络时,LTC6409和AD9265的出色性能会下降。对于LTC6409和AD9265,结果是很清楚的,但使用高吸收性且对称的输入网络的做法也可应用于任何直接采样ADC和差分放大器。在放大器和ADC之间的接口上下功夫,便可实现最高性能。 

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