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转: 为系统选择最佳的缓冲器与ADC组合  

2009-06-22 08:50:31|  分类: IC design |  标签: |举报 |字号 订阅

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                                                                       by Walter Sangalli, Maxim Integrated Products

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http://www.analog.eetchina.com/ART_8800575203_2600002_TA_ed8a55e3.HTM?click_from=8800026523,8618619362,2009-06-22,EECOL,NEWSLETTER

 

       自七十年代中期以来,模数转换器(ADC)的结构与集成工艺有了较大进展,性能得到
较大改善,其中包括:高转换速率、高分辨率、低失真以及开关电容输入结构、单电源工作
等。从而使设计人员在为特定的ADC 选择驱动放大器(或缓冲器)时,必须考虑阻抗匹配、
电荷注入、噪声抑制、输出精度和输出驱动能力等诸多因素。


噪声、失真对性能的影响


        理想情况下,运放信号源应该对ADC 误差不产生额外的贡献。为避免额外的噪声引入系
统,信号源信/噪比(SNR)应优于ADC 的理论上限。而新一代运算放大器的噪声特性均远优
于12 位,并且优于16 位噪声特性的器件也不难找到,因此,这一要求很容易满足。另外,
失真同样会降低动态特性,这种影响可以通过选择适当的放大器加以补偿,具体选择时,需
保证放大器的失真远低于转换器的总谐波失真(THD)。例如MAX195为16位逐次逼近型ADC,
其THD 为-97dB(0.0014%),而MAX4256 的信噪比加失真(SINAD)可达-115dB。这样高的性
能允许采用同相输入、并且工作于单电源的运算放大器MAX4256作为16位ADC的驱动放大。


带宽和建立时间


       对于驱动放大器的速度要求,应使其建立时间与ADC 的采样时间相匹配。也就是说,只
有当ADC 采样输入信号的时间间隔大于最差情况下放大器的建立时间时,才能保证转换结果
的精度。大量的运算放大器能够令人满意地与12位ADC协同工作,但适合14位或16位ADC、
速度高于500kHz 的选择就十分有限了。这种选择需要在噪声、失真和建立时间等参数之间
进行折衷考虑。特别是对建立时间的选择具有一定的困难,因为很少有运算放大器制造商在
16位性能下测试该项指标(0.001%)。


       为满足视频及其它高速应用,Maxim 研制开发了范围广阔的各种视频运算放大器,这些
放大器同时也适合作为高速ADC的驱动器。它们当中,新型低噪声、低失真、880MHz视频运
放系列产品可用于构造性能杰出的驱动放大器


缓冲器性能与ADC输入结构


      在选择驱动放大器时还需考虑的一个关键因素是ADC 的输入结构。例如,闪电式ADC 最
难以驱动,因为它们具有很大的非线性输入电容。具有新型开关电容结构的ADC 也需要特别
的关注,这种ADC 在每次转换结束时都由一个小的浪涌输入电流,为避免造成误差,驱动放
大器应能够在下一次转换启动前从这种瞬态恢复并重新建立。可采用以下两种解决方案:
1、 要求驱动ADC 的运算放大器对于负载瞬变的响应快于ADC 的采样时间(许多新型ADC 内
置有这样的宽带采样/保持)。幸运的是,大多数运算放大器对于负载瞬变的响应远比对
输入阶跃的响应快得多,所以该要求对于外部缓冲器来讲并不难满足。
2、 在输入端采用一个RC 滤波器,电容值要远大于ADC 的输入电容。这个大电容为采样电容
提供电荷,从而消除了瞬变(图1)。为吸收瞬变,Maxim 通常推荐在ADC 输入和地之间
连接一个1000pF或更大的电容。RC滤波器同时也减小了放大器在驱动容性负载时产生稳
定性问题的可能。与电容相串联的小电阻有助于阻止自激和振荡。


       另外一个关键问题是要求放大器在整个感兴趣的输入信号频率范围内保持低输出阻抗。
       高输出阻抗的运算放大器不能迅速响应ADC 输入电容的改变,也不能处理ADC 产生的瞬态电
流。而要获得低输出阻抗就应具有高环路增益,根据等式ROUT=RO/(1+AVOβ), 其中RO是开环
输出阻抗,AVOβ是环路增益。当接近运放的单位增益穿越频率时AVOβ会下降,导致输出阻
抗增大。由此可见,对低阻抗的要求变成了对于带宽的要求。因为在更高频率下,宽带运放
具有更高的环路增益,因此也就具有更低的输出阻抗,在一个50Msps ADC前端采用一个500MHz
运放是很明智的做法。宽带运放比低带宽运放在吸收ADC 产生的浪涌电流方面更加有效。例如超声系统中,新型10位ADC的典型采样频率为50MHz,在此频率下MAX4100 的输出电阻低于2Ω,此外,MAX4100可提供500MHz的单位增益带宽,250V/μS的压摆率,以及35ns(至0.01%)或18ns(至0.1%)的建立时间,这些特性使其在医疗超声系统中被非常普遍地用于ADC的驱动。

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