面向电源优化和空间受限型系统的差分ADC驱动器设计
面向电源优化和空间受限型系统的差分ADC驱
动器设计
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越来越多的消费电子、工业、仪器仪表和医疗保健应用要求低功耗和更小的系统尺寸，因此设计人员要不断寻求创新的方式，让系统以更低的成本实现极佳性能。本文讨论空间受限型16位和18位数据采集系统中使用差分ADC驱动器的低功耗和低成本解决
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，重点讨论关键性能指标。低功耗、全差分18位ADC驱动器
ADA4940-I是一款低功耗、低噪声、全差分放大器，采用SiGe互补双极性工艺制造，针对驱动16位和18位ADC而优化。如图1所示，该器件驱动18位、IMSPS ADC AD7982的差分输入，低噪声精密5V基准电压源ADR435用来提供ADC所需的5V参考。ADR435可提供充足的输出电流，并在AD7982的REF引脚端使用22“F去耦电容，无须基准电压源缓冲器。图1所示的所有IC均采用3mm×3IIlIn LFCSP或3mm×5mmMSOP
小型封装，从而有助于降低电路板成本和空间。
ADA4940-1允许用户进行必要的信号调理，例如使用4个电阻衰减或放大信号，从而获得更大的动态范围。增益由反馈电阻(R2=R4)和增益电阻(R1=R3)比率来设定，R1=R2=R3=R4=lkΩ。对于平衡差分输入信号，有效输入阻抗为2×增益电阻(Rl或R3)=2kΩ，对于非平衡(单端)输入信号，有效阻抗约为1.33kΩ。
需要时，可在输入端并联一个端接电阻。
一个单极点2. 7MHz R-C(22Ω，2.7nF)滤波器放在运算放大器输出和ADC输入之间，有助干在ADC输入端限制噪声，减少来自SARADC输入端容性DAC的反冲。
AD7982采用2.5V VDD单电源供电，使用5V基准电压源和3V VIO时，1MSPS下的功耗仅为6.lmW。此外，该器件的功耗和吞吐速率呈线性变化关系，如图2所示。它内置一个低功耗、高速、18位采样ADC和一个多功能数字串行接口。ADC的基准电压可独立于电源电压(VDD)进行设置，后者决定ADC的输入满量程范围。这种情况下，用于AD7982的5V基准电压源从AD R435精密带隙基准电压源输出，并在外部施加于REF引脚;该基准电压源采用板载7.5V电源供电，典型功耗为4.65mW。
ADA4940-1采用5V单电源供电，功耗典型值为6.25mW。该器件的轨到轨输出可驱动至供电轨的O.1V范围内，而音频频率范围的交流性能下降幅度极小。其输出摆幅范围为0-5V，共模电压为2.5V，能为ADC提供满量程输入。
数据采集系统包括ADC驱动器、ADC和基准电压源的总功耗约为17mW。
全差分ADC驱动器噪声分析
这款18位、1MSPS数据采集系统的预期SNR理论值可通过每个噪声源的和方根(RSS)计算得到。
ADA4940-I在100 kHz时的低噪声性能典型值为3.9nV/?Hz，如图3所示。
必须计算差分放大器的噪声增益，以便计算等效的输出噪声。
差分放大器的噪声增益为:NG=2/(β1+β2)=2V/V;其中，β1=R1/(RI+R2)=0.5，β2=R3/(R3+R4)=0.5，两者皆为反馈系数。
应当考虑下列差分放大器噪声源:
由于ADA4940-1输入电压噪声为3. 9nV/?Hz，其差分输出噪声应当为7. 8nV/?Hz。
ADA4940-1数据手册中的共模输入电压噪声(eOCM)为83 nV/?Hz，因此其输出噪声为eOCMx(β1 β2)×NG=O。
给定带宽条件下，R1、R2、R3和R4电阻噪声可根据约翰逊奈奎斯特噪声方程计算。eRn=?4KBTR;其中，KB为玻尔兹曼常数(1.38065×l0-23:J/K)，T为电阻绝对温度(开尔文)，R为电阻值(Ω)。来自反馈电阻的噪声为e R2=e R4=4. 07nV/?Hz。来自R 1的噪声为eRlx(1 β1)×NG=4.07nV/?Hz，来自R 3的噪声为×(1-β2) xNG=4.07nV/?Hz。
ADA4940-1数据手册中的电流噪声为0.8lpA/?Hz。
反相输入电压噪声:iIN×R1?R2×NG=O. 8lnV/?Hz.
同相输入电压噪声:iIN+×R3?R4×NG=0.8lnV/?Hz。
因此，来自ADA4940的等效输出噪声贡献为:
ADC输入端(RC滤波器之后)的总积分噪声为
11.33nV/?Hz×?(2.7×1.57MHz)=23.26μVrms。
AD7982的均方根噪声可根据数据手册中的5V基准电压源典型信噪比(SNR，98 dB)计算得到。
根据这些数据，ADC驱动器和ADC的总噪声贡献为:
注意，本例中忽略来自基准电压源的噪声，因为它非常小。
因此，数据采集系统的理论SNR可根据下式近似计算。 为了对此电路进行测试，音频精密信号发生器产生IOVpp差分输出，以便最大程度提升5V基准电压源情况下的ADC动态范围。输出共模电压为2.5V时，ADA4940-1各输出的摆幅在0-5V之间，相位相反，向ADC输入端提供增益为1、IOVpp的差分信号。AD7982在lkHz输入信号时，如图4中的FFT性能图所示，SNR典型值为96.67dB，THD典型值为111.03dB。这种情况下测得的SNR为96.67 dB，非常接近上文中的96.95dB SNR理论估算值。与数据手册中98dB的SNR相比，SNR的降低来自干ADA4940差分放大器电路的等效输出噪声。
ADA4940-1内部共模反馈环路强制共模输出电压等于施加到VOCM输入的电压，提供了出色的输出平衡。当两个反馈系数(β1和β2)不相等时，差分输出电压取决于VOCM;此时，输出幅度或相位的任何不平衡都会在输出端产生不良共模成分，导致差分输出冗余噪声和失调。因此，在这种情况下(如β1和β2))，输入源阻抗和RI(R3)的组合应等于lkΩ，以避免各输出信号的共模电压失配，并防止ADA4940-I的共模噪声增加。
AD7982的典型INL和DNL性能如图5所示。
该电路也可接受?5V单端输入信号以产生IOVpp全差分输出信号，并驱动ADC输入，如图6所示。AD7982在lkHz输入信号时，SNR典型值为95.89dB，THD典型值为110.14dB，如图7中的FFT性能图所示。
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