[经验]

高速ADC模拟输入架构类型详解

2018-10-18 11:23:57

2058 ADC ADI 频谱分析仪

采用高速模数转换器（ADC）的系统设计非常困难，对于输入有两类ADC架构可供选择：缓冲型和无缓冲型。
缓冲和无缓冲架构的特征
缓冲架构的基本特征
*  高线性度缓冲器，但需要更高的功率；
*  更易设计输入网络与高阻抗缓冲器接口，因为它提供固定的输入端接电阻；
*  缓冲器提供采样电容与输入网络之间的隔离，电荷注入瞬变更小。
无缓冲架构的基本特征
*  输入阻抗由开关电容设计设置；
*  功耗较低；
*  输入阻抗随时间变化(采样时钟-采样保持器)；
*  来自采样电容的电荷注入反射回输入网络。
无缓冲ADC
开关电容ADC(见图1)就是一类无缓冲ADC。无缓冲ADC的功耗通常远低于缓冲ADC，因为前者的外部前端设计直接连到ADC的内部采样保持(SHA)网络。


图1. 开关电容ADC这种方法有两个缺点
输入阻抗随着时间和模式而变化；
第二是电荷注入会反射回ADC的模拟输入端，可能导致滤波器建立问题。
当模拟输入频率改变，以及SHA从采样模式变为保持模式时，无缓冲ADC的输入阻抗也会变化。必须使输入与ADC采样模式匹配，如图2所示。


图2. 输入阻抗与模式和频率的关系在基带范围的较低频率时，输入阻抗的实部(蓝线)在数千欧范围内，在200 MHz以上时则滚降到2 kΩ。输入阻抗的虚部或容性部分(红线)也是如此，低频时的容性负载相当高，高频时逐渐变小到2 pF。这使得输入结构的设计更加困难，特别是当频率高于100 MHz时。
ADC如何能采样一个坏信号(如图3所示)并实现良好的性能？


图3. 典型单端输入瞬变查看图4所示的差分ADC输入，输入信号干净得多。坏信号毛刺已消失。共模抑制是差分信号的固有特性，它能消除任何噪声，无论是来自电源、数字注入还是电荷注入。查看无缓冲ADC毛刺的另一种方法是在时域中，利用频谱分析仪测量返回模拟输入的噪声。下图显示了开关电容ADC结构对模拟输入的影响。


图4. 典型差分输入瞬变

图5. 频谱分析仪在模拟输入端的测量(未应用输入匹配)图5显示时钟的谐波、噪声和其它杂散成分在3 GHz以上的频谱中馈通。匹配ADC输入以降低时钟馈通一般可将大部分谐波抑制10dB 以上。


图6. 频谱分析仪在模拟输入端的测量(应用输入匹配，采用低Q电感或铁氧体磁珠)图6中，通过在模拟输入的每一侧串联一个低Q电感或铁氧体磁珠，实现了输入匹配。这是降低进入模拟输入端的噪声量的一种方法，需要时可采用。
缓冲ADC
缓冲输入ADC(见图7)更易于使用，因为输入阻抗是固定值。隔离缓冲器抑制了电荷注入尖峰，因而开关瞬变显著降低。缓冲器由内部双极结晶体管级组成，具有固定的输入端接电阻。


图7. 缓冲输入ADC与开关电容ADC不同，此端接电阻不随模拟输入频率而变化，因此驱动电路的选择得以简化。缓冲输入级的缺点是ADC的功耗较高。然而，由于它经过专门设计，具有非常好的线性度和低噪声特性，因此在ADC的全部额定带宽内，输入阻抗都是恒定的。
设计抗混叠滤波器(AAF)时应当注意，过多的元件可能会导致容差不匹配，进而产生偶数阶失真。电感并非特性相同，不同电感的响应可能大不相同。廉价、低质量的电感一般表现不佳。此外，有时很难在电感上实现良好的焊接连接，这就会引起失真。务必将AAF的阻带区间规定为平坦的，因为宽带噪声仍有可能折回带内(见图8)。


图8. 抗混叠滤波器多数转换器具有很宽的模拟输入带宽。如果不使用AAF，混叠会降低动态范围。AAF应按照等于或略大于目标信号带宽的要求进行设计。滤波器的阶数和类型取决于所需的阻带抑制和通带纹波。AAF在ADC的整个带宽内应具有充分的阻带抑制性能。


图9. AAF响应与ADC带宽响应图9说明了阻带抑制在AAF设计中的重要性。注意，转换器带宽(红色曲线所示)远大于要采样的频带。因此，噪声和杂散可能会折回要采样的带内频率中。注意淡蓝曲线和粉红曲线，其中滤波器响应出现在阻带抑制区间。还应注意深绿或橙色曲线，阻带抑制保持恒定。