精確控制差分信號(hào)共模電壓的差分直流耦合ADC輸入電路設(shè)計(jì)

　　隨著ADC的供電電壓的不斷降低，輸入信號(hào)擺幅的不斷降低，輸入信號(hào)的共模電壓的精確控制顯得越來越重要。交流耦合輸入相對(duì)比較簡單，而直流耦合輸入就比較復(fù)雜。

　　典型的例子是正交下變頻(混頻器)輸出到ADC輸入的電路設(shè)計(jì)。混頻器輸出的是差分信號(hào)，其共模電壓誤差往往比較大，在送到ADC輸入端之前需要進(jìn)行濾波并且要把直流電平轉(zhuǎn)換到ADC輸入所需的電平上。這樣的設(shè)計(jì)就比較有挑戰(zhàn)性。

　　在放大器輸出端和ADC輸入端之間，往往需要二階濾波電路。一方面，需要在ADC輸入管腳前面放置電容來吸收ADC內(nèi)采樣保持電路的開關(guān)干擾。另一方面，需要在放大器輸出端放置電阻或電感來隔離這個(gè)容性負(fù)載，從而確保放大器的輸出穩(wěn)定。設(shè)計(jì)二階濾波的目的是獲得更好的濾波特性和截至頻率。如果ADC內(nèi)部輸入端沒有buffer，例如Intersil的FemtoCharge系列ADC，ADC輸入端會(huì)有明顯的周期性(與采樣頻率一致)吸收電流。這樣，確保輸入信號(hào)直流電平控制在ADC所需的電平范圍內(nèi)就顯的非常重要。

　　新型的全差分放大器(FDA)可以控制輸出差分信號(hào)的共模電壓，而這個(gè)輸出共模電壓完全與輸入電壓無關(guān)。請(qǐng)記住，這是通過在ADC Vcm管腳上輸出特定電壓實(shí)現(xiàn)的，與輸入端信號(hào)鏈上的共模電壓完全無關(guān)。而從FDA輸出到ADC輸入端之間不可避免會(huì)有電壓降，這是由于線路上的等效阻抗造成的。這樣，實(shí)際到達(dá)ADC輸入端的共模電壓不可避免會(huì)有一定誤差，誤差大小與ADC輸入電流以及不同器件要求的不同共模電壓相關(guān)，存在一定的不確定性。目前大部分的高速ADC都是1.8V供電，所需輸入共模電壓大多在0.4-0.8V之間，而且可以接受的誤差范圍都較小。大多數(shù)新推出的ADC都會(huì)列出SFDR vs Vcm的曲線，Vcm與Vcm典型值之間不超過+/-200mV。

　　另外一個(gè)問題是：在FDA的直流耦合差分輸出應(yīng)用中，必然會(huì)有共模電流流過放大器反饋電路，在某些FDA型號(hào)或者應(yīng)用中，這個(gè)電流會(huì)較大，甚至超過混頻器的額定電流，并且/或者反過來對(duì)FDA前面的輸入電流的共模電壓產(chǎn)生影響，甚至導(dǎo)致信號(hào)飽和。這些問題必須在設(shè)計(jì)直流耦合ADC輸入電路的時(shí)候加以充分考慮。

　　下圖的設(shè)計(jì)是一個(gè)不錯(cuò)的替代方案。用兩個(gè)電流反饋放大器(CFA)作為信號(hào)通路上的放大器，用一個(gè)低成本的電壓反饋放大器形成一個(gè)反饋網(wǎng)絡(luò)來控制信號(hào)通路的共模電壓。

　　從左到右：

　　下變頻器輸出一個(gè)交流差分信號(hào)，共模電壓是某個(gè)特定的值Vcm1。然后通過一個(gè)LC濾波電路來濾除高頻噪聲和鏡像頻率。濾波器由一個(gè)小電阻，串聯(lián)一個(gè)電感，再下拉一個(gè)電容形成。濾波器后面是有Rg和Rt組成的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。請(qǐng)別忘了，如果需要保持信號(hào)的直流分量，濾波器里面只需要L就可以了。

　　Rt和Rb不是必需的。Rt>Rg，Rt設(shè)置了濾波器端接阻抗的一部分(CFA的負(fù)輸入端是低阻抗的，Rg在這里可以看作接地連接)。這個(gè)電阻網(wǎng)絡(luò)的作用之一是利用混頻器的輸出共模電流在Rg上形成電壓降，從而把共模電壓控制在CFA負(fù)輸入端的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)。很多情況這個(gè)電阻網(wǎng)絡(luò)不是必須的，而只需要Rg做端接就可以了。不過，Rb的確可以有效的將共模電壓控制在所需要的電平上而不影響交流信號(hào)。代價(jià)是增大了一點(diǎn)電流。

　　Rg和Rf共同組成運(yùn)放的增益。與VFA不一樣，CFA的Rf 值需要參考器件推薦的值。Rf過大，會(huì)對(duì)運(yùn)放過補(bǔ)償，降低帶寬，增大電流噪聲。Rf過小，會(huì)在輸出端產(chǎn)生過沖。圖中的值是針對(duì)EL5167帶寬大于400MHz應(yīng)用的典型值。

　　運(yùn)放輸出端是一對(duì)差分RLC濾波器。選擇器件參數(shù)時(shí)首先是選擇符合ADC輸入特性的電容值。電感值較小更合適，以免電感自身諧振頻率落在濾波器通帶之內(nèi)。串聯(lián)電阻的作用是將運(yùn)放與其感性/容性負(fù)載隔離，保持運(yùn)放穩(wěn)定，還能對(duì)ADC輸入起到一定的保護(hù)作用，避免過大的電流流入ADC，但是會(huì)造成一定的信號(hào)衰減。最后是一個(gè)并聯(lián)電阻，實(shí)際上ADC內(nèi)部輸入端也有這樣一個(gè)電阻，這兩個(gè)電阻并聯(lián)將阻值減半。這個(gè)電阻感應(yīng)信號(hào)的共模電壓，而又對(duì)信號(hào)本身不產(chǎn)生影響。這個(gè)濾波器為二階低通濾波器，截止頻率102MHz，Q值0.9。這樣信號(hào)會(huì)有輕微過沖，但是二階-3dB帶寬123MHz。結(jié)合KAD5610P-25，雙10bit，250MSPS FemtoCharge ADC，濾波器可以有效的濾除信號(hào)鏈及放大器帶來的噪聲。在采樣率250MSPS時(shí)，ADC輸入DC電流大約是1.1mA，而從放大器到ADC之間的阻抗為60.4歐姆，那么DC電壓降為66.4mV。這個(gè)電壓降可以用ISL28113組成的反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)來補(bǔ)償。

　　在+/-5V供電時(shí)，EL5167輸出擺幅為+/-3.9V。ADC供電為單1.8V。內(nèi)部的保護(hù)二極管在輸入信號(hào)超出范圍0.6V以上時(shí)打開。60.4歐姆的串聯(lián)電阻保證了二極管打開時(shí)的電流不超過24mA(正端)和54mA(負(fù)端)，這樣可以有效的保護(hù)器件不受損壞。

　　ADC會(huì)提供一個(gè)Vcm參考電壓輸出。這個(gè)功能非常有用，尤其針對(duì)多路ADC(比如KAD5610P-25)上電校準(zhǔn)，可以消除器件之間的Vcm誤差，讓多路ADC之間的Vcm值保持高度一致，而且精確性很高。將圖中的Vcm2與放大器出路信號(hào)上的Vcm進(jìn)行比較，然后通過ISL28113的反饋網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。低速的ISL28113 VFA將兩個(gè)電壓的差送到高頻CFA的正向輸入端，可以使CFA輸出的Vcm始終與Vcm2保持一致。這樣，我們不再需要考慮混頻器或者其它器件產(chǎn)生的Vcm誤差了。

　　圖中其它一些器件是可選的或者是針對(duì)所選器件的。

　　Vcm2端接地的1k歐姆電阻是用來下拉的，產(chǎn)生一個(gè)下拉電流。由于KAD5610-25只能輸出電流，而運(yùn)放電路需要雙向電流。下拉電阻可以提供雙向電流。

　　兩個(gè)Ra電阻從運(yùn)放輸出端連接負(fù)電壓，這樣可以產(chǎn)生一個(gè)Class A電流。這樣可以減小信號(hào)輸出的失真同時(shí)又不影響電路的頻率響應(yīng)。通常，增加一個(gè)ClassA下拉電流(<5mA)可以顯著的改善差分信號(hào)中的三階諧波失真。不過，這種高階諧波失真在差分架構(gòu)中本來就比較弱。

　　VFA輸出端的電壓要通過一個(gè)低通濾波器再送到CFA正向輸入端。它是由一個(gè)1k歐姆電阻和0.1uF電容組成的?？梢杂行У臑V除信號(hào)中的噪聲，20歐姆電阻可以降低系統(tǒng)Q值，保持系統(tǒng)穩(wěn)定。

　　混頻器和運(yùn)放之間的LC濾波器用一個(gè)電阻Rg做端接。通常，如果運(yùn)放是VFA，這個(gè)端接電阻會(huì)導(dǎo)致濾波器通帶之外運(yùn)放“虛地”點(diǎn)的等效阻抗增大。但是，如果用CFA，就不會(huì)用這個(gè)問題。CFA開環(huán)增益會(huì)在300MHz左右下降，反向輸入端依然可以保持低阻抗，因?yàn)镃FA內(nèi)部有開環(huán)buffer驅(qū)動(dòng)輸入級(jí)，可以保持輸入級(jí)的低阻抗。這些buffer的帶寬大于1.5GHz，所以即使信號(hào)頻率高于CFA帶寬，負(fù)輸入端依然可以保持低阻抗。

　　這個(gè)設(shè)計(jì)可以支持直流到100MHz頻率。兩個(gè)EL5167的功耗一共只有170mV，ISL28113功耗900uW，雙10bit，250MSPS ADC的功耗410mW。這個(gè)設(shè)計(jì)具有超低功耗的特點(diǎn)，每通道的總功耗一共376mW。