实例分享丨真双极性输入、全差分输出ADC驱动器设计

图1中的原理图显示了两级信号调理，它能调整差分双极性±10 V输入信号，并将其转换为 ADC 所需的共模电平为 2.048 V的全差分±4.096 V信号。设计目标是实现上述调理，同时不降低ADC的噪声和失真性能。ADC 驱动器需要的电源电压通常超过 ADC 的输入范围，从而为输入和输出摆幅电压提供一定的裕量。驱动器通常必须调整并转换第一级输出电压，使之匹配ADC的输入电压范围（例如，将真双极性差分信号转换为摆幅为从地到VREF的差分信号）。

图 1. 双极性输入、全差分输出 ADC 驱动器的 LTspice 原理图

图1中的原理图通过LTspice®创建，LTspice一款高性能SPICE III仿真软件、原理图采集工具和波形查看器，集成增强功能和模型，简化了开关稳压器、线性稳压器和信号链电路的仿真。有关图1所示器件的更多信息，请参阅 LTC6373 、 ADA4945-1 和 LTC2387-18数据手册。

对于±10 V的真双极性输入信号范围，主要设计规格如表1所示。对于差分±10 V峰值正弦波，该电路可输出±4.096 V差分信号。

表 1. 设计目标主要规格

该电路是一个ADC驱动器电路，具有非常高的输入阻抗，并且可以定制以驱动较宽的输入电压，包括单端和差分。该电路的输出信号能够驱动采集时间小于30 ns的ADC。同时，该电路还能保持优化的噪声和失真性能。图1中的电路由以下器件组成：LTC6373可编程增益仪表放大器，用作输入级；ADA4945-1全差分放大器(FDA)，用作第二级ADC 驱动器；以及18位、15 MSPS ADC LTC2387-18。此外，在LTC6373输出端和ADA4945-1输入端之间有一个100 kHz滤波器，用于降低噪声，并且在 ADA4945-1输出端和LTC2387-18输入端之间有一 个毛刺抑制/降噪滤波器。LTC6373配置为差分放大器，其增益为0.5，输出共模电压为2.048 V。ADA4945-1配置为衰减差分动器，其增益为0.8。ADA4945-1 具有 2.048 V 的输出共模电压，与 LTC2387-18输入范围兼容。LTC2387-18各输入端的 输入信号范围为0 V至4.096 V，因此使用4.096 V内部基准电压时，差分输入信号范围为±4.096 V。

设计技巧

如果需要更大或更小的信号范围，可以改变 LTC6373的增益和R_F/R_G的比率。例如，如果需要 ±100 mV的信号范围，可以增加R_F，而R_G保持原始值不变。可以使用下式来重新计算R_F：

其中：

由于ADA4945-1的具备更高的增益带宽积，因此建议提高该器件的增益，而不提高LTC6373的增益。

由R5、C6、R6和C7组成的滤波器会降低ADA4945-1 的带宽。较低带宽导致LTC2387-18输入端的噪声较低。C6和C7的值通过试验方式确定，即逐渐增加其值，直到SNR停止改善为止。

由电阻R7、R8和电容C4、C5组成的滤波器有助于将ADA4945-1输出与ADC输入（如果未缓冲的话）产生的采样毛刺隔离开来。它会限制提供给ADC输入的信号带宽，并有助于降低ADC输入端的噪声。

如果驱动器和ADC之间的滤波器没有时间来完成建立，则会产生增益误差。根据具体应用，很小的增益误差可能是可以容忍的，但无法建立也可能导致失真，必须避免这种情况。可利用精密ADC驱动器工具来检查滤波器建立并估算电路SNR和THD 性能。

设计步骤

初始条件和假设

LTC6373的电源设置为±15 V，ADA4945-1的电源设置为+5 V/−1 V。假设输入范围为20 V p-p (±10 V)， 输出范围为8.192 V p-p（进入ADC），则分布在模拟前端(AFE)上的总增益为：

留一些裕量以适应器件容差和共模的微小变化，总增益目标设置为0.4 V/V。LTC6373支持固定的增益值选择：{0.25, 0.5, 1, 2, ..., 16}。两级的增益均选择小于1的值，以支持ADA4945-1使用较小的电源范围，并降低每级的噪声增益。将LTC6373的增益设置为0.5，这导致ADA4945-1的增益为0.8。

LTC6373和ADA4945-1的共模电压均设置为2.048 V。

图 2. ADA4945-1 的电路定义

设计仿真

精密ADC驱动器工具提供专门的仿真环境，在此环境中工程师可以快速确定驱动放大器和R-C滤波器选择对ADC信号链总体性能的影响。

使用图4所示的精密ADC驱动器工具估算建立时间、噪声和THD性能。精密ADC驱动器工具目前不允许将 LTC6373 添加到原理图中，因此仅对驱动 LTC2387-18的ADA4945-1性能进行仿真。驱动器工具建议最小电源电压为+4.6 V和−0.5 V。驱动器工具还提供警示信息，即所选驱动器会显著降低整体噪声性能。R_F和R_G是驱动器噪声的最大来源。驱动 器工具不允许如应用中所示在RF两端添加电容。（因为高速的ADC驱动器有很多是电流反馈型放大器，在反馈电阻上增加电容会导致振荡），但在本应用中在RF两端增加的电容则会降低驱动器噪声，因为ADA4945是电压反馈型放大器。表2总结了设计目标与仿真结果。

表 2. 设计目标与仿真

图4. 精密 ADC 驱动器工具：噪声和 THD 结果

测量结果

测得的ADC SNR性能比ADA4945-1数据手册的典型值−95.7 dB低0.4 dB，THD性能比数据手册的典型值−117 dB低3.8 dB，如图5所示。

图 5. 图 1 电路的实测性能

表3总结了设计目标与仿真结果。将ADA4945-1 RG 增加至2 kΩ，并将RF增加至1.62 kΩ，THD性能有望提高3 dB。根据ADC驱动器工具，这将导致SNR性能下降4 dB。THD和SNR性能哪一个更重要，须由用户决定。所有数据均以14 MSPS的数据速率采集。在15 MSPS时，由于ADC采集周期较短，THD显著降低。

表 3. 设计目标与测量结果

如图6所示，当输入频率高于15 kHz时，THD超过 −100 dB。当输入频率高于90 kHz时，SNR低于90 dB。该数据是在25°C时测得的。在更低或更高的温度下，性能可能会更早地开始下降。电路处理的变化也可能导致性能开始下降的电压不同。

图 6. SNR 和 THD 与输入频率的关系

表 4. 运算放大器—ADA4945-1

表 5. 运算放大器—LTC6373

表 6. ADC—LTC2387-18

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