ADC测试前端设计课件

Front-EnddesignforADCtestMaraFront-EnddesignforADCtestMADC典型特征测试设置ADI高速高性能ADC典型测试设置ADC典型特征测试设置ADI高速高性能ADC典型测试设置Analoginput在进行高性能ADC测试时，由于信号发生器的谐波性能一般没有ADC固有线性度好，目前市面上很难找到一款性能出色地信号发生器，所以一般做法是用滤波器来滤除信号发生器存在的谐波及杂散成分。TTEfilterAnaloginput在进行高性能ADC测试时，由于信号发Inputrange在采用Band-passfilter做滤波器时，在滤波器通带外的信号会被衰减，包括DC。而单极性ADC的reference通常是0~VCCA,所以在滤波器后还需要CoupleDC(VCM)。AD726612bitSARADCinDC-CoupledDifferentialandSingle-EndedApplicationsInputrange在采用Band-passfilter单端信号转差分信号采用放大器转换采用变压器转换单端信号转差分信号采用放大器转换采用变压器转差分电路采用变压器转差分电路采用放大器转换电路采用放大器转换电路放大器和变压器区别放大器是有源器件，而变压器是无源器件。放大器和其它所有的有源器件一样，消耗功率并且产生噪声。变压器不消耗功率并且产生的噪声可以忽略不计。两者都涉及到动态效应问题。放大器和变压器区别放大器是有源器件，而变压器是无源器件。为什么选择放大器？放大器的性能限制比变压器少。如果必须保持直流（DC）电平，就必须使用放大器，因为变压器是固有的交流（AC）器件。另外，如果需要，变压器可以提供电流隔离。放大器提供增益比较容易，因为放大器的输出阻抗实质上与增益无关。另一方面，变压器的输出阻抗与电压增益呈平方关系增加——电压增

益取决于匝数比。放大器在通带范围内提供平坦的响应，而没有由于变压器寄生交互作用引起的纹波。为什么选择放大器？放大器的性能限制比变压器少。放大器通常产生的噪声有多大？让我们考虑一个典型的放大器，例如ADA4937。如果设置增益G＝1，那么输出的噪声谱密度在高频部分是6nV/√Hz，与此频带可比的采样速率为80MSPS的AD9446－8

ADC的输入噪声谱密度是10nV/√Hz。这里的问题是，放大器的噪声带宽等于ADC的全带宽（中心频率位于500MHz），而ADC的噪声又必须限制在第一奈奎斯特范区（40MHz）。在没有滤波器的情况下，放大器的噪声有效值是155µVrms，ADC的噪声有效值是90μV。从理论上讲，总系统的信噪比（SNR）降低了6dB。为了从实验上证实这一点，用ADA4937驱动的AD9446-80测量的SNR结果是76dBFS,本底噪声是－118dB(见图1)。如果改用变压器来驱动AD9446-80，测量SNR结果是82dBFS。因此用放大器驱动ADC使得SNR降低6dB。放大器通常产生的噪声有多大？让我们考虑一个典型的放大器，例如如何减少放大器的噪声？为了提高ADC的信噪比，在放大器和ADC之间加了一个滤波器。如果使用的是一个100MHz的双极点滤波器，放大器的总噪声有效值变为71µV，使ADC的信噪比仅降低3dB。使用双极点滤波器改善了图1电路的SNR达到79dBFS，本底噪声为－121dB，如图2a所示。构建双极点滤波器的方法是放大器的每个输出引脚都串联一个24Ω的电阻器和一个30nH的电感器并且差分连接一个47pF的电容器如何减少放大器的噪声？为了提高ADC的信噪比，在放大器和AD在什么情况下需要使用变压器？当信号的频率很高而且ADC的输入端不允许很大的附加噪声时，变压器具有超越放大器的最大性能优势。在什么情况下需要使用变压器？当信号的频率很高而且ADC的输入变压器和放大器在增益方面有何不同？主要的区别在于ADC的输入阻抗，它直接影响系统的带宽。变压器的输入阻抗和输出阻抗与匝数比的平方有关，而放大器的输入阻抗和输出阻抗与增益（G）根本无关。

例如，采用一个增益G=2的变压器，并且变压器的输入阻抗为50Ω，输出阻抗为200Ω。AD9246ADC有一个4pF的差分输入电容，它与一个200Ω输出阻抗的变压器相连，会使ADC的-3dB带宽范围从650MHz降低到200MHz。为了提高ADC的性能和减少踢回噪声(kickbacknoise)，通常需要外接一只串联电阻和微分电容，这样会进一步限制-3dB的带宽，大概下降到100MHz。

如果使用一个低输出阻抗的放大器，例如使用ADA4937，结果通常会提供低于5Ω的源阻抗。这样每个ADC的输入端可串联一只25Ω限制瞬态电流的电阻器；这对于选用650MHz模拟输入带宽的AD9246，应该是合适的。

到目前为止，我们一直在围绕-3dB带宽进行讨论。如果在单极点系统中需要增益起伏比较平坦，比方说0.5dB，那么需要将-3dB带宽扩展大约3倍。对于0.1dB平坦度，需要将-3dB带宽扩展6.5倍。如果需要0.5dB平坦度达到150MHz带宽，那么它的-3dB带宽必须大于450MHz。采用G=2的变压器很难做到这一点，但是采用低输出阻抗的放大器很容易实现。变压器和放大器在增益方面有何不同？主要的区别在于ADC的输入选择变压器还是放大器来驱动ADC时，要考虑哪些因素？我们可以把这些因素归结为6个参数，如下表所示：选择变压器还是放大器来驱动ADC时，要考虑哪些因素？我们可以变压器的重要特性是什么？变压器有许多特性——例如电压增益和阻抗比、带宽和插入损耗、幅度和相位不平衡性，以及回波损耗。其它特性可能包括额定功率、配置类型（例如不平衡变压器或变压器）和中心点选项。使用变压器进行设计并不总是一帆风顺的。例如，变压器的特性会随着频率变化，从而使变压器模型复杂化。在ADC应用中开始变压器建模的一个例子如图6所示。每一个参数都取决于所选用的变压器。如果变压器生产商可提供变压器的模型，建议你与他们联系。变压器的重要特性是什么？变压器有许多特性——例如电压增益和阻变压器的重要特性是什么？变压器特性包括：匝数比是次级电压与初级电压之比。电流比与匝数比成反比。阻抗比是匝数比的平方。信号增益正好等于匝数比。尽管电压增益无噪声，但是要考虑其它因素——后面将会讨论到。

变压器可以简单地看作具有标称增益的带通滤波器。插入损耗是滤波器在规定频率范围内的损耗，虽然它是产品使用说明中最常见的测量技术指标，但还要考虑其它指标。

回波损耗是指从变压器的初级端看次级端有效阻抗不匹配特性的一种度量。例如，如果变压器的次级线圈与初级线圈的匝数比的平方是2:1，那么我们预期当次级端终止的阻抗为100Ω时，反射到初级端的阻抗是50Ω。然而，实际上不是严格符合这种关系；例如，反射到初级的阻抗会随着频率变化。一般地，随着阻抗比率增加，回波损耗的变化程度也随着增加。

幅度失衡和相失衡是变压器的重要特性。当要求设计非常高的中频时（高于100MHz），设计工程师可以通过这两项技术指标预测非线性误差的大小。随着频率的增高，变压器的非线性误差的也随着增加，通常是相位失衡起主要影响作用，相位失衡会转化为偶次谐波失真（主要是二次谐波）。变压器的重要特性是什么？变压器特性包括：选择放大器时要考虑哪些重要参数？选用放大器代替变压器的主要理由是为了获得好的通带平坦性。如果这项技术指标对你的设计方案来说很关键，那么放大器在规定频率范围内的波动会小一些，通常为±0.1dB。变压器的频率响应波动会小一些，当必须使用变压器时要求“精细调整”，所以平坦性是一个问题。放大器的驱动能力是它的另一个优势。变压器不能驱动PCB板上很长的印制线。变压器用来直接连接到ADC。如果系统要求把驱动器或耦合器安装在远离ADC处，或者另外一块PCB板上，那么我们强烈推荐使用放大器。

直流耦合特性也是使用放大器的一个原因，因为变压器是固有的交流耦合器件。如果直流频段在应用中很重要，可选择放大器，因为有些高频放大器可以耦合一直到直流的频率。可选的典型放大器包括AD8138和ADA4937。

放大器还可以提供动态隔离（大约为30dB～40dB的反向隔离）以抑制无缓冲ADC输入端的瞬态电流产生的尖峰毛刺。

如果设计要求为ADC的模拟输入提供宽带增益，那么放大器会提供优于变压器的匹配。另外要考虑带宽与噪声的折衷。如果采用的频率高于150MHz，变压器在保持SNR和SFDR方面会做得更好一些。然而，如果工作在第一奈奎斯特区或第二奈奎斯特区，那么变压器或放大器都可以使用。选择放大器时要考虑哪些重要参数？选用放大器代替变压器的主要理ADIDriverAmplifiersforSARADCs

Single-EndADIDriverAmplifiersforSARADIDriverAmplifiersforSARADCs

DifferentialADIDriverAmplifiersforSARADIFront-EnddesignexampleReference输入端加bufferReference通过电阻分压提供VCM=REF/2ADC输入端加bufferADC输入端设计RC低通滤波ADIFront-EnddesignexampleReExample-AD7985Example-AD7985ExampleAD7944/AD7985/AD7986ExampleAD7944/AD7985/AD7986ExampleAD7944/AD7985/AD7986ExampleAD7944/AD7985/AD7986RCfilterdesign双击打开RCfilterdesign双击打开Example16bitpulSARAD7988-5Reference&VCM5V5VExample16bitpulSARAD7988-5Example16bitpulSARAD7988-5Offset=2.5VADCdrivesExample16bitpulSARAD7988-5ADA4841-1ADA4841-1/ADA4841-2是单位增益稳定、低噪声、低失真、轨到轨输出放大器，静态电流最大值为1.5mA。这些放大器不仅功耗低，还提供2.1nV/Hz的低宽带电压噪声性能和1.4pA/Hz的电流噪声，100kHz时具有极佳的-105dBc无杂散动态范围(SFDR)。为了在更低频率下保持低噪声环境，10Hz时放大器具有7nV/Hz和13pA/Hz的低1/f噪声。ADA4841-1/ADA4841-2的输出摆幅可达每供电轨的50mV以下，输入共模电压范围扩展至负电源电压，可以最小峰值驱动高达10pF的容性负载。它们提供有效支持最新16位至18位ADC所需的性能，是便携式仪器仪表、高通道数、工业测量和医疗应用的理想选择，适合驱动16位PulSARADCAD7685/AD7686。ADA4841-1ADA4841-1/ADA4841-2是Band-passfilteroutput5VppAgilent81150+100KHzBand-passfilteroutputwaveform81150:Vpp=7.8Voffset=0VFilteroutput:Vpp=4.767Voffset=0VBand-passfilteroutput5VppADC-coupledVCM=2.5VAfterDC-coupledcircuit,AD7988inputVpp=3.877Voffset=2.5VDC-coupledVCM=2.5VAfterDCResultSNR=87.399dBTHD=-90.83dBSNDR=85.752dBREF=5VResultSNR=87.399dBREF=5VBand-passfilteroutput3.3VppAgilent81150+100KHzBand-passfilteroutputwaveform81150:Vpp=5Voffset=0VFilteroutput:Vpp=3.13Voffset=0VBand-passfilteroutput3.3VpDC-coupledVCM=1.65VAfterDC-coupledcircuit,AD7988inputVpp=2.577Voffset=1.64VDC-coupledVCM=1.65VAfterDResultSNR=84.829dBTHD=-92.45dBSNDR=84.089dBPowersupplyREF=3.3VResultSNR=84.829dBPowersupplGain=2VCM=1.65VGain=2VCM=1.65VAD4841Gain=2,AD7988performance

AWG420asinput+BPFAD4841Gain=2,AD7988performaAWG420directinput

ADC1512performanceAWG420directinput

ADC1512peAWG420+BPF+RC

ADC1512performanceAWG420+BPF+RC

ADC1512performAWG420+BPFnoRC

ADC1512performanceAWG420+BPFnoRC

ADC1512perfAWG420directinput

ADC7502performanceAWG420directinput

ADC7502peAWG420+BPF+RC

ADC7502performanceAWG420+BPF+RC

ADC7502performAWG420+BPFnoRC

ADC7502performanceAWG420+BPFnoRC

ADC7502perfFront-EnddesignforADCtestMaraFront-EnddesignforADCtestMADC典型特征测试设置ADI高速高性能ADC典型测试设置ADC典型特征测试设置ADI高速高性能ADC典型测试设置Analoginput在进行高性能ADC测试时，由于信号发生器的谐波性能一般没有ADC固有线性度好，目前市面上很难找到一款性能出色地信号发生器，所以一般做法是用滤波器来滤除信号发生器存在的谐波及杂散成分。TTEfilterAnaloginput在进行高性能ADC测试时，由于信号发Inputrange在采用Band-passfilter做滤波器时，在滤波器通带外的信号会被衰减，包括DC。而单极性ADC的reference通常是0~VCCA,所以在滤波器后还需要CoupleDC(VCM)。AD726612bitSARADCinDC-CoupledDifferentialandSingle-EndedApplicationsInputrange在采用Band-passfilter单端信号转差分信号采用放大器转换采用变压器转换单端信号转差分信号采用放大器转换采用变压器转差分电路采用变压器转差分电路采用放大器转换电路采用放大器转换电路放大器和变压器区别放大器是有源器件，而变压器是无源器件。放大器和其它所有的有源器件一样，消耗功率并且产生噪声。变压器不消耗功率并且产生的噪声可以忽略不计。两者都涉及到动态效应问题。放大器和变压器区别放大器是有源器件，而变压器是无源器件。为什么选择放大器？放大器的性能限制比变压器少。如果必须保持直流（DC）电平，就必须使用放大器，因为变压器是固有的交流（AC）器件。另外，如果需要，变压器可以提供电流隔离。放大器提供增益比较容易，因为放大器的输出阻抗实质上与增益无关。另一方面，变压器的输出阻抗与电压增益呈平方关系增加——电压增

益取决于匝数比。放大器在通带范围内提供平坦的响应，而没有由于变压器寄生交互作用引起的纹波。为什么选择放大器？放大器的性能限制比变压器少。放大器通常产生的噪声有多大？让我们考虑一个典型的放大器，例如ADA4937。如果设置增益G＝1，那么输出的噪声谱密度在高频部分是6nV/√Hz，与此频带可比的采样速率为80MSPS的AD9446－8

ADC的输入噪声谱密度是10nV/√Hz。这里的问题是，放大器的噪声带宽等于ADC的全带宽（中心频率位于500MHz），而ADC的噪声又必须限制在第一奈奎斯特范区（40MHz）。在没有滤波器的情况下，放大器的噪声有效值是155µVrms，ADC的噪声有效值是90μV。从理论上讲，总系统的信噪比（SNR）降低了6dB。为了从实验上证实这一点，用ADA4937驱动的AD9446-80测量的SNR结果是76dBFS,本底噪声是－118dB(见图1)。如果改用变压器来驱动AD9446-80，测量SNR结果是82dBFS。因此用放大器驱动ADC使得SNR降低6dB。放大器通常产生的噪声有多大？让我们考虑一个典型的放大器，例如如何减少放大器的噪声？为了提高ADC的信噪比，在放大器和ADC之间加了一个滤波器。如果使用的是一个100MHz的双极点滤波器，放大器的总噪声有效值变为71µV，使ADC的信噪比仅降低3dB。使用双极点滤波器改善了图1电路的SNR达到79dBFS，本底噪声为－121dB，如图2a所示。构建双极点滤波器的方法是放大器的每个输出引脚都串联一个24Ω的电阻器和一个30nH的电感器并且差分连接一个47pF的电容器如何减少放大器的噪声？为了提高ADC的信噪比，在放大器和AD在什么情况下需要使用变压器？当信号的频率很高而且ADC的输入端不允许很大的附加噪声时，变压器具有超越放大器的最大性能优势。在什么情况下需要使用变压器？当信号的频率很高而且ADC的输入变压器和放大器在增益方面有何不同？主要的区别在于ADC的输入阻抗，它直接影响系统的带宽。变压器的输入阻抗和输出阻抗与匝数比的平方有关，而放大器的输入阻抗和输出阻抗与增益（G）根本无关。

例如，采用一个增益G=2的变压器，并且变压器的输入阻抗为50Ω，输出阻抗为200Ω。AD9246ADC有一个4pF的差分输入电容，它与一个200Ω输出阻抗的变压器相连，会使ADC的-3dB带宽范围从650MHz降低到200MHz。为了提高ADC的性能和减少踢回噪声(kickbacknoise)，通常需要外接一只串联电阻和微分电容，这样会进一步限制-3dB的带宽，大概下降到100MHz。

如果使用一个低输出阻抗的放大器，例如使用ADA4937，结果通常会提供低于5Ω的源阻抗。这样每个ADC的输入端可串联一只25Ω限制瞬态电流的电阻器；这对于选用650MHz模拟输入带宽的AD9246，应该是合适的。

到目前为止，我们一直在围绕-3dB带宽进行讨论。如果在单极点系统中需要增益起伏比较平坦，比方说0.5dB，那么需要将-3dB带宽扩展大约3倍。对于0.1dB平坦度，需要将-3dB带宽扩展6.5倍。如果需要0.5dB平坦度达到150MHz带宽，那么它的-3dB带宽必须大于450MHz。采用G=2的变压器很难做到这一点，但是采用低输出阻抗的放大器很容易实现。变压器和放大器在增益方面有何不同？主要的区别在于ADC的输入选择变压器还是放大器来驱动ADC时，要考虑哪些因素？我们可以把这些因素归结为6个参数，如下表所示：选择变压器还是放大器来驱动ADC时，要考虑哪些因素？我们可以变压器的重要特性是什么？变压器有许多特性——例如电压增益和阻抗比、带宽和插入损耗、幅度和相位不平衡性，以及回波损耗。其它特性可能包括额定功率、配置类型（例如不平衡变压器或变压器）和中心点选项。使用变压器进行设计并不总是一帆风顺的。例如，变压器的特性会随着频率变化，从而使变压器模型复杂化。在ADC应用中开始变压器建模的一个例子如图6所示。每一个参数都取决于所选用的变压器。如果变压器生产商可提供变压器的模型，建议你与他们联系。变压器的重要特性是什么？变压器有许多特性——例如电压增益和阻变压器的重要特性是什么？变压器特性包括：匝数比是次级电压与初级电压之比。电流比与匝数比成反比。阻抗比是匝数比的平方。信号增益正好等于匝数比。尽管电压增益无噪声，但是要考虑其它因素——后面将会讨论到。

变压器可以简单地看作具有标称增益的带通滤波器。插入损耗是滤波器在规定频率范围内的损耗，虽然它是产品使用说明中最常见的测量技术指标，但还要考虑其它指标。

回波损耗是指从变压器的初级端看次级端有效阻抗不匹配特性的一种度量。例如，如果变压器的次级线圈与初级线圈的匝数比的平方是2:1，那么我们预期当次级端终止的阻抗为100Ω时，反射到初级端的阻抗是50Ω。然而，实际上不是严格符合这种关系；例如，反射到初级的阻抗会随着频率变化。一般地，随着阻抗比率增加，回波损耗的变化程度也随着增加。

幅度失衡和相失衡是变压器的重要特性。当要求设计非常高的中频时（高于100MHz），设计工程师可以通过这两项技术指标预测非线性误差的大小。随着频率的增高，变压器的非线性误差的也随着增加，通常是相位失衡起主要影响作用，相位失衡会转化为偶次谐波失真（主要是二次谐波）。变压器的重要特性是什么？变压器特性包括：选择放大器时要考虑哪些重要参数？选用放大器代替变压器的主要理由是为了获得好的通带平坦性。如果这项技术指标对你的设计方案来说很关键，那么放大器在规定频率范围内的波动会小一些，通常为±0.1dB。变压器的频率响应波动会小一些，当必须使用变压器时要求“精细调整”，所以平坦性是一个问题。放大器的驱动能力是它的另一个优势。变压器不能驱动PCB板上很长的印制线。变压器用来直接连接到ADC。如果系统要求把驱动器或耦合器安装在远离ADC处，或者另外一块PCB板上，那么我们强烈推荐使用放大器。

直流耦合特性也是使用放大器的一个原因，因为变压器是固有的交流耦合器件。如果直流频段在应用中很重要，可选择放大器，因为有些高频放大器可以耦合一直到直流的频率。可选的典型放大器包括AD8138和ADA4937。

放大器还可以提供动态隔离（大约为30dB～40dB的反向隔离）以抑制无缓冲ADC输入端的瞬态电流产生的尖峰毛刺。

如果设计要求为ADC的模拟输入提供宽带增益，那么放大器会提供优于变压器的匹配。另外要考虑带宽与噪声的折衷。如果采用的频率高于150MHz，变压器在保持SNR和SFDR方面会做得更好一些。然而，如果工作在第一奈奎斯特区或第二奈奎斯特区，那么变压器或放大器都可以使用。选择放大器时要考虑哪些重要参数？选用放大器代替变压器的主要理ADIDriverAmplifiersforSARADCs

Single-EndADIDriverAmplifiersforSARADIDriverAmplifiersforSARADCs

DifferentialADIDriverAmplifiersforSARADIFront-EnddesignexampleReference输入端加bufferReference通过电阻分压提供VCM=REF/2ADC输入端加bufferADC输入端设计RC低通滤波ADIFront-EnddesignexampleReExample-AD7985Example-AD7985ExampleAD7944/AD7985/AD7986ExampleAD7944/AD7985/AD7986ExampleAD7944/AD7985/AD7986ExampleAD7944/AD7985/AD7986RCfilterdesign双击打开RCfilterdesign双击打开Example16bitpulSARAD7988-5Reference&VCM5V5VExample16bitpulSARAD7988-5Example16bitpulSARAD7988-5Offset=2.5VADCdrivesExample16bitpulSARAD7988-5ADA4841-1ADA4841-1/ADA4841-2是单位增益稳定、低噪声、低失真、轨到轨输出放大器，静态电流最大值为1.5mA。这些放大器不仅功耗低，还提供2.1nV/Hz的低宽带电压噪声性能和1.4pA/Hz的电流噪声，100kHz时具有极佳的-105dBc无杂散动态范围(SFDR)。为了在更低频率下保持低噪声环境，10Hz时放大器具有7nV/Hz和13pA/Hz的低1/f噪声。ADA4841-1/ADA4841-2的输出摆幅可达每供电轨的50mV以下，输入共模电压范围扩展至负电源电压，可以最小峰值驱动高达10pF的容性负载。它们提供有效支持最新16位至18位ADC所需的性能，是便携式仪器仪表、高通道数、工业测量和医疗应用的理想选择，适合驱动16位PulSARADCAD7685/AD7686。ADA4841-1ADA4841-1/ADA4841-2是Band-passfilteroutput5