精密SAR模数转换器的前端放大器和RC滤波器设计 3 放大器, 平衡点

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低输入频率(<10kHz)可以支持较大的串联电阻值。失真还与输入信号幅度有关；对于同一失真水平，较低的幅度可以支持较高的电阻值。计算上例中的REXT：τ=51.16ns，假设CEXT为2.7nF，得到电阻值为18.9Ω。这些值接近ADI数据手册应用部分给出的常见值。
　　此处计算的标称RC值是有用的指南，但不是最终解决方案。选择REXT与CEXT之间的适当平衡点，需要了解输入频率范围、放大器可以驱动多大的电容以及可接受的失真水平。为了优化RC值，必须利用实际的硬件进行试验，从而实现最佳性能。

　　选择合适的放大器

　　在上一部分中，我们根据输入信号和ADC吞吐速率，计算了适合ADC输入的RC带宽。接下来必须利用此信息选择合适的ADC驱动放大器。需要考虑如下方面：

放大器大小信号带宽

●建立时间

●放大器噪声特性以及对系统噪声的影响

●失真

●失真对于电源轨的裕量要求

该数据手册通常会给出放大器的小信号带宽。但是，根据输入信号的类型，大信号带宽可能更重要，尤其是高输入频率（>100kHz）或多路复用应用（因为电压摆幅较大），而且输入信号的正向建立更加关键。例如，ADA4841-1的小信号带宽为80MHz（20mVp-p信号），但大信号带宽仅3MHz（2Vp-p信号）。上例采用AD7980，计算的RC带宽为3.11MHz.对于较低的输入频率，ADA4841-1是很好的选择，因为其80MHz小信号带宽对于反向建立而言绰绰有余，但在多路复用应用中则有困难，因为对于大信号摆幅，此时的RC带宽要求提高到3.93MHz.这种情况下，更合适的放大器是ADA4897-1，它具有30MHz的大信号带宽。一般而言，放大器的小/大信号带宽至少应比RC带宽大两三倍，具体取决于是以反向建立还是正向建立为主。如果要求放大器级提供电压增益（这会降低可用带宽），更适用这条原则，甚至可能需要带宽更宽的放大器。

看待正向建立要求的另一种方式是查看放大器的建立时间特性，它通常是指建立到额定阶跃大小某一百分比所需的时间。对于16位到18位性能，通常要求建立到0.001%，但大多数放大器仅指定不同阶跃大小的0.1%或0.01%建立时间。因此，为了确定建立特性是否支持ADC吞吐速率，需要对这些数值进行折中。ADA4841-1针对8V阶跃给出的0.01%建立时间为1μs.在驱动1MSPS（1μs周期）AD7980的多路复用应用中，它将无法使满量程阶跃的输入及时建立，但如果降低吞吐速率，例如500kSPS可能是可行的。

RC带宽对于确定放大器的最大容许噪声量十分重要。放大器噪声一般通过低频1/f噪声（0.1Hz至10Hz）和高频时的宽带噪声谱密度（图7所示噪声曲线的平坦部分）来规定。



图7.ADA4084-2电压噪声与频率的关系

　　折合到ADC输入端的总噪声可以按照如下方法计算。首先，计算放大器宽带频谱密度在RC带宽上的噪声。


放大器需要考虑的另一个重要特性是特定输入频率时的失真。通常，为获得最佳性能，16位ADC需要大约100dB的总谐波失真(THD)，18位ADC需要大约110dB。图8显示对于2Vp-p输入信号，ADA4841-1的典型失真与频率的关系图。


图8.ADA4841-1的失真与频率的关系

　　图中显示的不是总谐波失真，而是一般最为重要的二次和三次谐波成分。ADA4841-1的噪声非常小，失真特性优异，足以驱动18位ADC到大约30kHz。当输入频率接近100kHz或更高时，失真性能开始下降。为在高频时实现低失真，需要使用功耗更高、带宽更宽的放大器。较大的信号也会降低性能。对于0V至5V的ADC输入，失真性能信号范围将提高到5Vp-p。从图8所示的失真图可看出，这将产生不同的性能，因此放大器可能需要测试，以确保它满足要求。图9比较了多个输出电压水平的失真性能。


图9.不同输出电压水平下失真与频率的关系

裕量，即放大器最大实际输入/输出摆幅与正负电轨之差，也可能影响THD.放大器可能具有轨到轨输入和/或输出，或者要求最高1V甚至更大的裕量。即便是轨到轨输入/输出，如果工作信号电平接近放大器的供电轨，也将难以获得良好的失真性能。因此，最好应选择让最大输入/输出信号远离供电轨的电源电平。考虑一个0V至5V输入范围的ADC，采用ADA4841-1放大器驱动，需要将ADC的范围提高到最大。该放大器具有轨到轨输出，对输入有1V的裕量要求。如果用作单位增益放大器，则至少需要1V的输入裕量，正电源至少必须是6V.输出为轨到轨，但仍然只能驱动到地或正供电轨的大约25mV范围内，因而需要一个负供电轨，以便一直驱动到地。为了给失真性能留有一定的裕量，负供电轨可以是–1V.

如果允许降低ADC输入范围，从而丧失一定的SNR，则可以消除负电源。例如，如果ADC的输入范围降为0.5V至5V，此10%损失将导致SNR降低大约1dB.然而，这样就可以将负供电轨接地，从而消除用以产生负电源的电路，降低功耗和成本。

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