低噪声的精准运放驱动高分辨率 SAR ADC

第第页低噪声的精准运放驱动高分辨率SARADC

：ErjonQirko,KrisLokere（AnalogDevices公司）

引言

LT6018是一款具超低失真(在1kHz为–115dB)的超低噪声(在1kHz为1.2nV/√Hz)运算放大器。该器件拥有15MHz的增益带宽积、50μV的最大失调电压和0.5μV/°C的最大失调电压漂移。这种特性组合使之适合于驱动多种高分辨率模数转换器(ADC)。当采用LT6018驱动高速18位和20位逐次逼近寄存器(SAR)ADC时，怎样实现最佳的信噪比(SNR)和总谐波失真(THD)呢?本“设计要点”给出了相应的电路和优化策略。

超线性20位ADC

图1示出了DC2135A演示电路的一处修改，用LT1068(替换了LT1468)驱动LTC2378-2020位SARADC。LTC2378-20因其无可比拟的2ppm线性性能而引人注目。在保持线性度的同时产生一个差分信号的最佳方法是在该演示板所使用的LT5400中采用精准的匹配电阻器。图1所示电路的详细工作原理请见“设计要点1032”(在该设计要点中是用LT1468驱动LTC2377-20)。

图1：DC2135A演示板设置

如欲测量该电路的线性度，则把一个超纯正弦波馈入输入端，并在输出端计算FFT。最终的THD测量值充当电路INL(积分非线性)性能的代表。在800kHz的ADC采样速率下，我们使用一个约100Hz的输入频率(略作调整以确保相干采样，从而放宽FFT数值限制)。

原来的演示电路包括一个紧接在运放之后的RC低通滤波器，以滤除过量的高频噪声。LT6018的噪声密度甚至在高频条件下也保持在相对较低的水平，因此去掉这个滤波器对总噪声的影响可以忽略不计。如果没有该滤波器，则线性度(按THD来衡量)显著地改善，这是因为单端至差分转换现在完全受控于LT5400中的精确匹配电阻器，不会受到任何匹配不佳的分立组件的损坏。

LT6018的低噪声密度使其适合需要增益的电路。当配置在增益为10的情况下，信号强度增加20dB，而SNR下降2dB(相对于全标度)。如果输入信号很小，则这种布置可使有效信噪比改善18dB。正如预料的那样，线性度的降幅与放大器环路增益相同，即大约20dB。

结果归纳于表1。

表1：LT6018驱动LTC2378-20的SNR和THD结果

驱动一个高速18位ADC

LTC2387-18是一款采样速率可高达15Msps的18位SARADC。在该采样速率下，ADC的内部采样电容器连接至放大器输出端的持续时间少于30ns(“采集时间”)。在这段时间里，放大器(和滤波器)电路必须从电荷回踢状态恢复并补充采样电容器的电荷，于是ADC能够在下一个转换周期测量正确的输入电压。放大器和滤波器网络的谨慎优化是有必要的。

在图2中，两个LT6018被配置为单位增益跟随器，并连接至LTC2387-18演示板，该演示板在ADC输入端布设了滤波电阻器和电容器。

图2：LT6018驱动LTC2387-18(采用DC2290A-A演示板)

表2列出了SNR和THD结果，测量条件是：在输入端馈入一个1.008kHz的纯正弦波，而ADC的相干采样速率为14.680Msps。第一个表项给出的是采用LT6200放大器(一款非常高速的低噪声运放)时的结果。滤波器配置是大约200MHz的演示板默认带宽。这提供了ADC电荷回踢的完全稳定，从而获得–120dB的卓越THD指标。不过，SNR比ADC的96dB能力低2dB。

表2：LT6018驱动LTC2387-18的SNR和THD结果

LT6018的带宽低于LT6200，但是DC准确度(失调和漂移)则好得多。然而，把LT6018插入和LT6200相同的配置却显著地降低了SNR和THD性能。SNR指标下降的原因是：与低于其带宽的时候相比，在高于其带宽的情况下放大器噪声密度会较高，而且该噪声如果未被滤除则将混叠到ADC中。THD指标的劣化则是因为速度较慢的放大器在遭受大量的ADC电荷回踢之冲击时不会完全地稳定，并且把非线性残余物留给ADC去进行数字化处理。

我们可以通过增加电阻器和电容器的数值，以及在两个ADC输入之间布设一个差分电容器来滤除宽带放大器噪声。这么做可把SNR一直改善到该ADC的理论最大值96dB，这意味着积分放大器噪声已变得可忽略不计。此外，通过使滤波器配置向采用较小串联电阻器和较大电容器的方向倾斜，可减弱电荷回踢的初始影响，从而改善THD性能(远低于–100dB)。

结论

新式SARADC组合了低噪声与高线性度和精准的DC偏移准确度。实现这些性能指标需要采用一个具有同样好的DC规格参数、低噪声和充足带宽的放大器，比如LT6018。借助中等速度ADC(例如：1Msps20位LTC2378-20)，LT6018结合精准匹配的LT5400电阻器能够产生一