高頻AD8331 VGA與 ADC AD9215互連

　　電路功能與優(yōu)勢

　　在將具有寬動態(tài)范圍的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式，而ADC分辨率不足以捕捉全部有用信息時(shí)，可變增益放大器（VGA）可以發(fā)揮重要作用。例如，具有2 V峰峰值輸入范圍的10位轉(zhuǎn)換器的LSB大小為2 ÷ 1024，即稍低于2 mV。VGA放大幅度小于最低分辨率的輸入信號，并衰減大信號，以免ADC飽和。信號強(qiáng)度在數(shù)微伏至數(shù)伏范圍內(nèi)的超聲接收機(jī)，以及幾乎所有接收機(jī)都會用到的中頻（IF）放大器，就是這類應(yīng)用的例子。對于直流或低頻模擬信號，分辨率最高達(dá)24位的Σ-Δ型ADC經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、款式多樣，但采樣頻率通常限制在數(shù)百 kHz?，F(xiàn)有的先進(jìn)ADC的分辨率會隨著采樣頻率的提高而降低，這使得利用標(biāo)準(zhǔn)ADC對高頻、低振幅信號進(jìn)行精確數(shù)字化處理極其困難。可變增益放大器可以方便地解決這一問題，圖1所示為VGA驅(qū)動ADC的典型應(yīng)用。

　　圖1：AD8331 VGA與AD9215 ADC互連（原理示意圖，所有連接/去耦均未顯示）

　　AD8331/AD8332/AD8334分別是單通道/雙通道/四通道、超低噪聲、線性dB可變增益放大器（VGA），針對超聲系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，可以用作低噪聲可變增益元件，工作頻率最高達(dá)120 MHz。

　　各通道內(nèi)置一個(gè)超低噪聲前置放大器（LNA）、一個(gè)48 dB增益范圍的X-AMP® VGA以及一個(gè)具有可調(diào)輸出限制功能的可選增益后置放大器。LNA增益為19 dB，具有單端輸入和差分輸出。LNA輸入阻抗可以利用一個(gè)電阻來調(diào)節(jié)，以便與信號源相匹配，且不影響噪聲性能。

　　VGA的48 dB增益范圍使這些器件適合各種不同的應(yīng)用。帶寬在整個(gè)增益范圍內(nèi)可保持出色的一致性。對于40 mV至1 V范圍內(nèi)的控制電壓，增益控制接口可提供精確的50 dB/V線性dB調(diào)整。通過工廠調(diào)整可確保器件間及通道間具有出色的增益匹配特性。

　　電路描述

　　VGA和現(xiàn)代ADC的功能已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越早期ADC設(shè)計(jì)所用的傳統(tǒng)運(yùn)算放大器。在本例所用的VGA中，增益由外部控制。針對10位或12位轉(zhuǎn)換器映射的增益值可通過引腳選擇，低噪聲級的阻抗則可通過一個(gè)串聯(lián)R-C網(wǎng)絡(luò)調(diào)整，以獲得各種不同的阻抗值。借助簡單的引腳搭接便可使用高速轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品。

　　圖1所示電路展現(xiàn)了典型VGA與ADC的互連情況。對于本例，AD8331 VGA與AD9215 ADC在頻率范圍和差分接口匹配方面兼容。為簡明起見，圖中未顯示電源去耦。

　　AD8331內(nèi)置一個(gè)低噪聲前置放大器，后接一個(gè)差分衰減器和增益級。此VGA僅需5 V單電源供電。ADC的低噪聲3 V電源可由與5 V電源相連的LDO提供，例如ADP3339。該VGA的差分輸出用于驅(qū)動具有差分輸入的ADC，其輸入范圍為1 V峰峰值至約4.5 V峰峰值。AD9215的輸入范圍可以設(shè)置在1 V峰峰值差分與2 V峰峰值差分之間。對于本電路，ADC輸入范圍設(shè)置為2 V峰峰值差分。

　　與大多數(shù)單電源器件一樣，AD8331需要一個(gè)電壓為供電電壓中間值的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源，用于一對鏡像放大器，它可在輸出端（折合到共模電壓CMV）提供相等但極性相反的信號。關(guān)于此功能的更多信息，請參考AD8331數(shù)據(jù)手冊 。VGA的引腳11 （VCM）既可以作為輸入，也可以作為輸出。作為輸出時(shí)，VCM電路可以在引腳11上進(jìn)行去耦，或者可以通過一個(gè)電壓源驅(qū)動該引腳，以修改共模電壓的值，從而適應(yīng)具有不同輸入范圍的各種ADC。如果保持浮地，VCM電壓將為電源電壓的一半，這對于交流耦合應(yīng)用是最佳值。

　　引腳12 （CLMP）將輸出擺幅箝位在ADC差分輸入的限制內(nèi)，從而避免出現(xiàn)可能會嚴(yán)重影響轉(zhuǎn)換器的過驅(qū)問題。利用一個(gè)簡單的電阻控制箝位幅度。如果CLMP引腳上沒有任何連接，則箝位電壓為以2.5 V共模電壓為中心的差分4.5V峰峰值。

　　測試波形選擇1 MHz正弦波，利用 ADC Analyzer™軟件恢復(fù)的波形如圖2所示。采樣頻率為65 MSPS，對應(yīng)于AD9215的65 MSPS版本。LNA輸入信號為70 mV峰峰值，經(jīng)過外部低通和高通濾波器處理，可濾除信號發(fā)生器的雜散。VGA增益為29 dB，可將信號放大到大約ADC滿量程輸入電壓的一半。VGA與ADC之間的高通和低通濾波組合可衰減50 kHz以下的低頻噪聲（33 Ω和100 nF可產(chǎn)生48 kHz的低頻截止頻率），以及100 MHz以上的頻率（42 pF和33 Ω可產(chǎn)生114 MHz的高頻截止頻率）。

　　圖2：重建的滿量程2 V峰峰值1 MHz正弦波，采樣速率為65 MSPS

　　通過減小LNA輸入端以及LNA與VGA輸入端之間的串聯(lián)電容值，可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)高通濾波。

　　如果VOH和VOL上的PCB走線雜散電容約超過25 pF，則可能需要一個(gè)輸出去耦網(wǎng)絡(luò)，它由100 Ω固定電阻與AD8331各輸出端串聯(lián)插入的一個(gè)鐵氧體磁珠并聯(lián)組成。否則，便不需要這一網(wǎng)絡(luò)。

　　大部分現(xiàn)代ADC都可以通過引腳接入內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源。AD9215的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓為1 V，外部電阻使共模輸入電壓偏置3 V電源電壓的一半。

　　數(shù)據(jù)捕捉板與筆記本電腦接口。ADC Analyzer軟件可啟動轉(zhuǎn)換器，并提供波形或FFT顯示。關(guān)于AD9215配置的詳細(xì)信息，請參考AD9215數(shù)據(jù)手冊。

　　圖3是該測試設(shè)置的簡化框圖。評估板上裝有一個(gè)20引腳、雙排接頭，它與轉(zhuǎn)換器接口板上的連接器一半相結(jié)合。評估板由標(biāo)準(zhǔn)筆記本電腦上運(yùn)行的ADC Analyzer軟件進(jìn)行控制。

　　圖3：測試配置框圖

　　本電路必須構(gòu)建在具有較大面積接地層的多層電路板上。為實(shí)現(xiàn)最佳性能，必須采用適當(dāng)?shù)牟季帧⒔拥睾腿ヱ罴夹g(shù)（請參考 教程MT-031——“實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的接地并解開AGND和DGND的謎團(tuán)”，以及 教程MT-101 ——“去耦技術(shù)”）。

　　常見變化

　　其它單通道、10位ADC包括AD9214（適合較低輸入頻率）或AD9411（適合較高采樣速度應(yīng)用）。