高速ADC輸入信號接口的挑戰與不同技術的需求-互連技術-電子元件技術網

你的位置：首頁 > 互連技術 > 正文

高速ADC輸入信號接口的挑戰與不同技術的需求

發布時間：2020-04-14 責任編輯：lina

【導讀】當今的模數轉換器（ADC）采cai用yong了le最zui新xin的de技ji術shu，以yi高gao精jing度du及ji快kuai速su的de采cai樣yang頻pin率lv對dui模mo擬ni信xin號hao進jin行xing采cai集ji。數shu據ju轉zhuan換huan器qi的de複fu雜za性xing隨sui著zhe采cai樣yang頻pin率lv及ji精jing度du的de提ti高gao而er增zeng加jia。高gao性xing能neng數shu據ju轉zhuan換huan器qi規gui格ge的de設she定ding必bi須xu遵zun循xun嚴yan格ge的de輸shu入ru條tiao件jian，以yi實shi現xian器qi件jian預yu期qi性xing能neng的de最zui大da化hua。

當今的模數轉換器（ADC）采cai用yong了le最zui新xin的de技ji術shu，以yi高gao精jing度du及ji快kuai速su的de采cai樣yang頻pin率lv對dui模mo擬ni信xin號hao進jin行xing采cai集ji。數shu據ju轉zhuan換huan器qi的de複fu雜za性xing隨sui著zhe采cai樣yang頻pin率lv及ji精jing度du的de提ti高gao而er增zeng加jia。高gao性xing能neng數shu據ju轉zhuan換huan器qi規gui格ge的de設she定ding必bi須xu遵zun循xun嚴yan格ge的de輸shu入ru條tiao件jian，以yi實shi現xian器qi件jian預yu期qi性xing能neng的de最zui大da化hua。一個頗具挑戰性的輸入條件是：對ADC輸入模擬信號進行測量、驅動和接口連接。本文將探討一些對於高速 ADC進行有效接口連接的技術，從而使ADC實現性能最佳化。

就有效輸入驅動以維護信號完整性而言，已經有許多好的應用注釋以及文章發表。本文將探討有關輸入驅動的新發展。

ADC 輸入架構與驅動器的選擇

ADC的模擬輸入配置隨著采樣精度和最大采樣頻率的變化而有所不同。在輸入階段，影響輸入驅動器選擇的特征有：

1. 單端與差分

2. 高阻抗與低阻抗（100W）（或是有緩衝與無緩衝）

單端與差分

大部分推動采樣精度和采樣頻率達到極限的ADC采用的是差分輸入方式。差分輸入的優勢在於降低偶次諧波和 EMI。一些差分輸入ADC具有IRS（輸入範圍選擇）寄存器，其允許使用者通過將未使用的輸入連接到共模（CM）A/D轉換參照的方式，以單端輸入來使用器件。

有緩衝與無緩衝

高采樣頻率ADC （》500 MSPS）經常要處理高頻模擬輸入信號。假定使用標準的 PCB板(ban)尺(chi)寸(cun)和(he)軌(gui)跡(ji)長(chang)度(du)，如(ru)果(guo)這(zhe)個(ge)高(gao)頻(pin)模(mo)擬(ni)信(xin)號(hao)沒(mei)有(you)正(zheng)常(chang)結(jie)束(shu)，又(you)用(yong)處(chu)理(li)射(she)頻(pin)信(xin)號(hao)和(he)電(dian)路(lu)板(ban)的(de)方(fang)式(shi)加(jia)以(yi)處(chu)理(li)，模(mo)擬(ni)信(xin)號(hao)就(jiu)會(hui)衰(shuai)退(tui)。這(zhe)樣(yang)的(de)高(gao)頻(pin)應(ying)用(yong)得(de)益(yi)於(yu)低(di)阻(zu)抗(kang) （50W單端或 100W差分）模擬輸入，因此，大部分 UHF 和 VHF 電路為 50W係統。為了獲得較高的失真性能，通常使用差分輸入。由於嚴格的規範限製，以及受高頻的影響，高采樣率ADC通常不提供允許使用單端輸入的IRS 選項。原因是：采用 IRS 的ADC需要額外的電路才能轉換到滿量程（FSR），而這對於在高頻/高采樣率下的應用卻並不可行。因此，這個等級的ADC需要高頻、低電阻（100W差分）的輸入驅動。使用低電阻輸入 ADC，模擬輸入在被應用到用於轉換的采樣/保持（S/H）電路之前就已緩衝。所以，並不需要采用在非緩衝 ADC中使用的標準去耦電路（串聯電阻R，並聯電容C）。在圖1的圖解中使用了一個非緩衝輸入的 ADC （ADC10080），這些去耦元件在圖中標識為 R1、R2（18W）及 C1 （25W）。

從單端到差分的轉換

中點接線變壓器

（Ruthroff 變壓器）

如前所述，驅動差分 ADC 的輸入必須為差分形式。將單端輸入轉換為ADC 可用的差分信號需要使用一個中點接線變壓器，如圖1所示（在“差分輸入”虛線下可看出變壓器如何接到 ADC 輸入）。

差分輸入的共模電壓（CM）應遵循 VCOM 電壓（在 ADC 上的輸出引腳），以便使 ADC 內部的采樣保持電路正常工作。圖1中的電路允許通過將變壓器的中點接線連接到ADC的 VCOM 輸出來對輸入 CM 加以設定。

變壓器的較低截止頻率不允許低頻內容被耦合進來。因此，這種形式的耦合隻可應用於不需要 DC 以yi及ji低di頻pin內nei容rong的de係xi統tong。除chu此ci之zhi外wai，這zhe個ge電dian路lu也ye承cheng受shou了le高gao頻pin變bian壓ya器qi的de泄xie漏lou效xiao應ying，限xian製zhi了le它ta的de上shang限xian工gong作zuo頻pin率lv。典dian型xing的de變bian壓ya器qi有you上shang限xian及ji下xia限xian工gong作zuo頻pin率lv。較jiao低di頻pin率lv限xian製zhi由you初chu級ji電dian感gan決jue定ding。對dui於yu這zhe個ge與yu 8 位轉換器一起使用的變壓器而言，如果不采用其它的增益校準或調整方法，其工作的頻帶非常窄，受限在 1 MHz ~100MHz，其中，插入損耗變化小於 0.034dB （1 LSB）。

對於最大回波損耗（最小反射），許多較高速度的應用要求對圖1中 J1 （輸入連接器）處的輸入阻抗進行控製，並且要與連接到連接器的電纜特征阻抗相匹配。當電纜的長度超過所遇最短波長的 1/20時，這種要求尤為重要。隻要變壓器回波損耗在頻率極值時性能沒有衰退，就有可能通過設置一個通過輸入的終端電阻 RT 來達成此目標。這樣，輸入阻抗就會接近RT，yuanyinzaiyubianyaqihuibosunhaoyizengda，zuyijuyouzuixiaofuzaixiaoying。zaijiaogaodepinlvxia，youyubianyaqihuibosunhaodejianshao，shiyongzhezhongleixingdebianyaqipeizhihuishikongzhishuruduangengjiakunnan。erzhezhengshibupinghengbianyaqideyoushisuozai。

不平衡變壓器

（Guanella變壓器）

另一個進行單端到差分轉換的方法是使用不平衡變壓器，如圖2所示。

與圖1相比，這種方式具有下述優點及缺點：

優點：

1. 較高的工作頻率

2. 對於寬帶應用而言，有較高的回波損耗

3. 較佳的增益與相位平衡

缺點：

1. 無法設定共模電壓

2. 無法提供電壓增益

與圖1的中點接線變壓器或 Ruthroff 變壓器相比，不平衡配置有著更高的工作頻率。然而，采用不平衡配置後，因為無法設定共模電壓水平，ADC 輸入必須為 AC 耦合電壓。以ADC08D1500為例，它是一個 8 位、1500MSPS 的轉換器，如果在 AC耦合的模式下工作，就會通過內部電阻自動將其輸入端偏置到適當的共模電壓值。如果ADC的 VCMO 輸出接地，就會以 AC 耦合模式運行。

如圖2所示，使用 AC 耦合電容（4.7nF），輸入耦合電路的-3dB頻率大約為 677 KHz （=1/（2pReqCeq），其中，Req=100W，Ceq=4.7nF/2=2.35nF）。這個 100W的等效電阻是耦合電容器（RT2與 ADC 的 100W輸入並聯，總共 50W）右邊的差分負載與介於不平衡變壓器引腳1 和引腳3（50W）間差分阻抗的串聯組合。

采用圖2的電路，J1終止於 50W 左右，並且假定所驅動的ADC具有100W的差分輸入終端（如 ADC08D1500）。與 100W ADC輸入阻抗並聯的 RT2為 50W，這是從 J1 到dao接jie地di的de輸shu入ru阻zu抗kang。此ci輸shu入ru阻zu抗kang一yi直zhi保bao持chi一yi定ding的de頻pin率lv，從cong而er使shi不bu平ping衡heng變bian壓ya器qi發fa揮hui變bian壓ya器qi的de作zuo用yong。超chao過guo這zhe個ge基ji於yu特te殊shu不bu平ping衡heng變bian壓ya器qi及ji其qi核he心xin特te征zheng、xianquanjiandianrong，yijiqitayinshudepinlvfanwei，shuruzukangjiuhuipianlizhegezhi，bingqieshurufanshehuidaozhihuibosunhaojianshao。dabufenbupinghengbianyaqidechanpinshoucedouliechulejigepindiandehuibosunhaoyushangxianhexiaxiangongzuopinlv。

圖3顯示了一個中點接線變壓器（TC4-14）以及一個不平衡變壓器（TC1-1-13M）的輸入回波損耗，並進行了簡單的比較。

由圖3中可以看出，中點接線變壓器的回波損耗在 700MHz 以下與 1.3GHz 以上時，下降得十分迅速，而不平衡變壓器則具有一定的高出數 MHz 的回波損耗（》 10dB），並且在頻率到達約 2.6GHz 左zuo右you時shi才cai開kai始shi下xia降jiang。這zhe是shi不bu平ping衡heng變bian壓ya器qi相xiang對dui於yu中zhong點dian接jie線xian變bian壓ya器qi的de優you點dian。在zai較jiao高gao頻pin率lv減jian少shao的de回hui波bo損sun耗hao會hui造zao成cheng一yi種zhong不bu匹pi配pei的de狀zhuang態tai，並bing且qie產chan生sheng較jiao高gao的de反fan射she能neng量liang，這zhe會hui在zai采cai集ji信xin號hao中zhong形xing成cheng不bu想xiang要yao的de諧xie波bo，並bing且qie降jiang低di係xi統tong的de ENOB 性能。

回波損耗（RL）與二端口輸入阻抗相關，如式1如示：

RL= 20 Log | （Zin+50）/ （Zin-50）| （1）

舉例來說，10dB 的 RL 與96W 或 26W的輸入阻抗相符合（根據式1中商的符號而定）。阻抗不連續時的反射波（圖2中的 J1）在源端出來另一個反射之後將會抵達 Rs1 （假定來源與傳輸線並沒有完美匹配）。往返時間為 l/n，其中，l為電纜長度，nweitongguochuanshuxianjiezhidebosu。gouchengshuruxinhaodebutongpinlvyuanjian，zaiyudaociwangfanyanchibingqiejiashangyuanlaiderushebozhihouhuihuidaozhongduanchu，congerxingchengzuizhongdexinhao。duiyuwangfanyanchi （2l/n），l為一個重要的諧波（大約是周期 T 的 1/10），其最終的波形將會失真。從數學上講，這裏的T滿足了 T ≤ （20 l/n）的諧波要求。原因是，對於較短周期的諧波，入射以及反射波會合成（在時間上）交迭形式，這會造成波形的改變。這正是在 ENOB 上降低的原因，因為這個改變的波形將會增加總諧波失真（THD）的失真項，從而產生較低的 ENOB。

為了平衡非平衡功能，變壓器的初級與次級總會保持1:1 的比例，因此，此配置不能提供任何電壓增益。

有源單端到差分的轉換

如前所述，變壓器可以被用作轉換器，然而它們在寬帶的應用上有很大的缺點，並且在這些應用中，它們不會在其操作頻率區域中包括 DC 和低頻。基於這個原因，半導體製造商已經導入了有源器件來執行這項功能，以彌補變壓器耦合結構的缺點。

LMH6555 是專門設計用來驅動如圖4顯示為 0.8Vpp的ADC的 100W差分輸入，並且提供一個到終端電纜的固定 50W的輸入阻抗（未顯示於圖4中），以達到最高的回波損耗。單端到差分轉換器會將頻率範圍從DC一直擴展到1.2GHz（此為 LMH6555 的 -3dB 頻寬限製）。通過將ADC的 VCMO連接到 LMH6555 的 VCM_REF 輸入，可以保持精確的輸出共模電壓控製。利用這樣的結構，可以獲得全信號頻譜，而共模控製則可以由 LMH6555 自動實現。圖4中所示的緩衝器（LMV321）用來提高ADC的 VCMO 引腳所流出的電流，以使得對於 VCM_REF輸入而言有適當的驅動能力。是否需要緩衝器取決於ADC的電流輸出能力。　　

LMH6555 的增益（在Vin+下的差分輸出到單端或取決於所驅動輸入的Vin+）確定在 4.8V/V，其配置如圖4所示，其中，Rs1=Rs2=50W。對於輸入信號在振幅上較大的情形，LMH6555 插入增益可以通過增加 Rs2和 Rs1的值來降低。這兩個電阻應該總是相等，以保持對於低輸出偏移的輸入平衡。圖5所示例子中，位於 50W電纜接收端的 LMH6555 的增益通過 Rx 和 Ry降低。通過選擇組件值，LMH6555 電路（J1）的輸入阻抗被保持在50W，以使阻抗匹配。兩個 LMH6555具有 100W的到地等效阻抗，各個組成值都被顯示，以用來維持低輸出偏移電壓。LMH6555的輸入/輸出擺幅關係如式2所示：

Vout （Vpp） = Vin （Vpp） * ［ RF/ （2Rs+Rin_diff）］（2）

其中，RF= 430W，Rin_diff=78W，都是LMH6555 特定的值。

Rs是等效電阻，使 LMH6555 的輸入接地（假定它們相等）。增加 Rs會降低增益。重新整理式2，允許使用者決定 Rs的值，可以確定對於一個給定 Vin （Vpp）的全ADC的輸入擺幅，如式3所示：

Rs=Vin （Vpp） * 268.8 - 39 （3）

LMH6555的等效輸入電阻通過 Rs被增加到100W（由式3計算得出），因此，0.52Vpp輸入會導致ADC輸入恰好為 0.8Vpp，而J1的等效輸入則維持在 50W。

LMH6555將維持低噪聲（參照19nV/RtHz輸出的平帶），並與它輸入的Rs無關。這是因為 LMH6555 的輸入架構由等效輸入噪聲電壓決定，並且獨立於源電阻。

ADC要求差分輸入的共模電壓（在 +/-50mV內）非常接近它所產生的 VCMO 參考輸出。這是采用1.9V供電電壓的一個結果，因為損失的供電電壓降低了ADC內部的電壓餘量。如果未能保持此共模操作，ADC的全失真性能將會迅速惡化。

除了這種共模現象外，ADC兩個輸入端的任何增益和相位不平衡都會導致獲取錯誤信號。舉例來說，一個 100MHz的方波將會在它的尖峰值有 1.5% 的錯誤。8 位數據采集具有全尺度 0.39% 的 LSB，並且不平衡變壓器等效於3.8LSB。所以，將增益和相位不平衡最小化是非常必要的。

免責聲明：本文為轉載文章，轉載此文目的在於傳遞更多信息，版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問題，請聯係小編進行處理。

上一篇：關於運放的軌到軌輸入

下一篇：TI帶您揭秘電動口罩解決方案，加速產品上市

特別推薦

技術文章更多>>

技術白皮書下載更多>>

熱門搜索

高速ADC輸入信號接口的挑戰與不同技術的需求

友情鏈接(QQ：317243736)