類比世界－高性能類比前端

高速訊號

　　高速轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，尤其是電訊領(lǐng)域的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，允許ADC（類比－數(shù)碼轉(zhuǎn)換器）輸入訊號為AC連結(jié)信號（透過利用變壓器、電容器或兩者的組合）。但對于測試和量測行業(yè)而言，前端設(shè)計并非如此簡單，這是因為除了提供AC結(jié)合能力外，該應(yīng)用領(lǐng)域通常要求輸入訊號與DC連結(jié)。主動式前端設(shè)計達到的良好脈波回應(yīng)和低失真性能是有挑戰(zhàn)性的（≧500MHz的DC頻率）。本文適用于高速數(shù)據(jù)采集的高性能ADC所使用的類比前端設(shè)計提供幾種理念和建議。

　　使用差分放大器是將高頻類比訊號與ADC的輸出相連的首選方法，因此，其中第一個需要選擇的器件就是差分輸出運算放大器。選擇這類器件時，主要有兩個考慮元素︰增加頻寬產(chǎn)品和從外部電壓設(shè)置運算放大器的共模電壓輸出的能力。這是因為驅(qū)動ADC輸入的訊號放大器將共模電壓輸出（VCMO）設(shè)置在最適合的ADC范圍內(nèi)。如果不能滿足這些條件，ADC 的性能會隨著放大器的VCMO和ADC的最佳輸入共模電壓間不一致的增加而大幅下降。

　　寬頻差分運算放大器的主缺點在于其放大倍率通常都有限，而且其放大水平是在內(nèi)部預(yù)設(shè)的。根據(jù)應(yīng)用的不同，可能需要為設(shè)計添加前置放大器，從而滿足必要的增加要求。

　　至于前置放大器，應(yīng)該采用寬頻運算放大器以便滿足ADC的期望輸入頻率。對于采樣速率高達1GSPS的系統(tǒng)而言，這等于已超過采樣系統(tǒng)要求具有高達500MHz的輸入頻寬。

▲LMH6703頻率回響。

　　對于與較大增益（如AV＝10）一起運作并能保持大頻寬的運算放大器而言，其等于5GHz增益頻寬（GBW）產(chǎn)品。由于架構(gòu)的關(guān)系在頻率回響和增益之間的直接折中，因此大多數(shù)的電壓回授放大器都不能滿足該要求。

　　然而，電流回授放大器與這些參數(shù)保持較好的關(guān)系，因為性能通常由運算放大器電路內(nèi)的回授電阻值決定。運算放大器LMH6703非常適于在增能設(shè)置為110的高頻寬下運作。該器件可與所選的差分放大器一起使用，從而在高頻寬系統(tǒng)（如示波器和數(shù)據(jù)采集卡）中提供額外的增益要求。

　　本特殊放大器的頻率回響見圖1。

　　如果增益設(shè)置為10且頻寬為500MHz，則圖1推薦使用300歐姆的回授電阻（RF1）。

　　　Av＝1＋（Rf/Rg）

　　因此，RG1（增益電阻）可為33歐姆。例如，圖2對具有差分放大器的電路中的LMH6703進行了說明。

▲二層級放大器電流圖。

　　除了需要具有合適的DC訊號路徑的固定增益級別的系統(tǒng)，該應(yīng)用還需要一個AC連結(jié)模式。這是因為DC訊號路徑通常受到輸入放大器所產(chǎn)生的增益頻寬所限制。對于數(shù)據(jù)采集器件或需要很寬的輸入頻寬和低失真的通訊路徑而言，我們需要采用AC訊號路徑。這可將輸入頻率上限擴展到DC訊號路徑容量以外。

　　解決辦法有很多種，選擇何種解決方法主要取決于最小的輸入頻率以及所需的高頻性能。對于高頻下（≧200MHz）的最高AC性能而言，平衡／非平衡變壓器為實現(xiàn)單端-差分轉(zhuǎn)換提供了解決方案，因為訊號失真的程度較低。折中在于平衡／非平衡變壓器屬減損器件，將會小幅（-12dB）消弱訊號，而且它們的低頻性能較差。

　　透過使用單極RF繼電器作為選則單端輸出訊號從前置放大器切換到差分放大器或平衡／非平衡轉(zhuǎn)換電路中，可以將平衡／非平衡聯(lián)結(jié)訊號路徑插入圖2所示的電路中。還需要另一個雙極雙擲RF繼電器來將平衡／非平衡變壓器和差分放大器的輸出發(fā)送到ADC輸入中。

▲帶有擴展AC訊號性能的系統(tǒng)頻率回響。

　　該電路很適用于高級測試和測量設(shè)備。但是對于價格較敏感的應(yīng)用，RF訊號繼電器的成本就成了系統(tǒng)預(yù)算的負(fù)擔(dān)了，特別是在需要多個通道的情況下。因此低速系統(tǒng)選擇可用于AC連結(jié)和DC連結(jié)模式的差分輸出運算放大器較為有利，因為省下了平衡／非平衡轉(zhuǎn)換電路。特別適于該用途的放大器逐漸出現(xiàn)，并漸漸提升頻寬和THD方面的性能。對于8位1GSPS的轉(zhuǎn)換器而言，能在500MHz下提供-50dB THD圖、小頻寬至少為1GHz的差分放大器會很適合。

　　利用可以極大縮短設(shè)計時間的前端設(shè)計中現(xiàn)成的運算放大器元件，可以從高速ADC獲取較好的動態(tài)性能。在頻率上限處，放大器引起的SINAD損耗不超過34dB。圖4展示了198MHz輸入訊號（由高頻寬差分輸出放大器進行緩沖，由8位ADC以500MSPS的速率進行采樣）的FFT。該圖顯示放大器在該頻率下具有很低的2階和3階合諧波失真，使得ADC能夠采集具有與從專用AC連結(jié)訊號路徑獲得的性能相當(dāng)?shù)碾s訊和失真數(shù)的訊號。

▲198MHz正弦波（由高速差分輸出運算放大器發(fā)送、由ADC08D500以500 MSPS的速率進行采樣）的FFT圖。

總結(jié)

　　放大器的性能會不斷的提升，從而提升頻寬，并降低THD。隨著ADC進入GSPS范圍，我們就需要其它能夠與這些轉(zhuǎn)換器搭配的放大器。不僅能夠透過減少通道上的電路來降低系統(tǒng)成本，而且不會犧牲系統(tǒng)的性能，并允許設(shè)計者以較低的成本實現(xiàn)較高的性能，同時縮短前端電子的設(shè)計時間。