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全差分驅動器開啟高速ADC的高性能應用之門

上網時間: 2008年02月22日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:全差分驅動器  High-Speed ADC  高速ADC 

採用高速ADC的設計師所面臨的最大挑戰之一就是找到一個適合於驅動ADC的放大器。直到最近,ADC驅動器的選擇還一直受限。通常射頻放大器為單端,體積大、功耗高,而且需要一個5~12V的電源。最近,業界開發出了全差分放大器,但它們中很多都是被最佳化用於窄輸入訊號頻寬,需要一個高電壓電源,或者需要約束ADC的速度、噪音和/或失真性能。由凌力爾特公司開發的新放大器系列能幫助工程師實現ADC的性能,同時簡化高頻電路板的設計。

高速+高性能+低電壓電源

LTC6400-20和LTC6401-20為該高速全差分放大器家族的首批成員,工作電源為3V或3.3V。這兩款元件都具有20dB的內部固定增益,具有高速、低噪音和低失真以及低功耗特點。採用的是先進的互補雙極矽鍺製程。由於鍺原子比矽原子大,在矽製程中有選擇地加入一些鍺會在材料的晶體結構中產生應力。實際上這種應力將導致好的電特性,例如更高的遷移率和更精密的基區寬度控制,可以製作速度更高的電晶體。LTC6400-20的-3dB頻寬為1.8GHz,而壓擺率達到4500V/us,所耗電流僅僅80mA。LTC6401-20僅以一半的功率實現大約LTC6400-20速度的2/3。圖1為輸出訊號2Vpp時,LTC6400-20在不同頻率上的互調失真性能。LTC6400在140MHz能獲得90dBc失真,而在幾百MHz的頻率下能獲得-70dBc的失真。

ADC驅動器的另一個關鍵性能是貢獻的噪音要小。LTC6400基於一個差分運算放大器,輸入噪音密度很低,為1nV/√Hz。內部100Ω的差分輸入電阻不可避免地會增加一定噪音,產生2.1nV/√Hz的總輸入參考噪音密度。另一個評判噪音的方法是根據訊息噪音比。LTC6400-20輸出噪音密度為21nV/√Hz(因為增益為20dB或10V/V)。如果把訊號頻寬限制到50MHz,噪音總和為148μVRMS。相對於2VP-P滿量程訊號來說,允許73.5dB的訊息噪音比。這與LTC2249這類的14位元通用ADC相匹配。

整合帶來高性能

圖2為LTC6400的結構圖。LTC6400-20和LTC6401-20的設計思想是容易使用。除了放大器外,還整合了幾個其他功能,包括增益設定電阻、輸出訊號濾波以及輸出共模電路。所有功能都整合在一個3x3mm的16接腳的QFN封裝內。這種整合帶來了以下幾個顯著的優點。

最顯著的是減少了外部零組件數量,電阻器和電容器較少意味著佔位面積小,且令人頭疼的問題也少。

透過整合高度匹配的增益設定電阻,提供了精密的增益,因而穩定度得到改善。穩定度改善的原因是將感應的反饋迴路內建到晶片封裝內。電路板上反饋迴路的佈線所引起的寄生電容器會產生寄生極(parasitic pole)。另外,也將輸入和輸出端引出來的感性連接線移出感應的反饋迴路。

由於增益是已知的並且是內部固定的,放大器在盡可能寬的頻寬上具有最大的平坦度,群延遲變化也最小。為了實現特定的增益設置,可以調整內部補償,使速度、功率和失真性能達到最佳化。

該元件提供兩路差分輸出─濾波輸出和未濾波輸出。晶片上濾波器是一個專門設計單極點RC濾波器,用來簡化高速管線和SAR ADC所呈現的容性負載驅動。拐點頻率(corner frequency)的調整很容易,只需增加幾個外部元件。

輸出共模接腳允許ADC採用相同的參考地,以便設置ADC驅動器的輸出訊號電平。當輸入採用AC耦合時,輸入共模電壓被自動偏置到與VOCM接腳上的電壓相近的電平。LTC6400-20在I/O耦合方面非常靈活,輸入和輸出端都可以利用AC或DC耦合。

圖1:LTC6400的三階互調失真與頻率的關係圖。
圖1:LTC6400的三階互調失真與頻率的關係圖。

圖2: LTC6400的功能結構圖。
圖2: LTC6400的功能結構圖。

應用實例

圖3展示了典型應用實例,即利用LTC6400來驅動LTC2208 16位元130MSPS ADC。本例中,輸入訊號為單端,透過一個隔直流電容器加到LTC6400的+IN輸入端。當然,輸入訊號也可以直流耦合,只要直流電壓位於放大器的輸入共模範圍內。從圖2中不難發現,LTC6400-20的差分輸入阻抗為200Ω。利用一個66.5Ω的電阻使得總輸入阻抗為50Ω,能與50Ω的源阻抗匹配。(在其他情況下,源阻抗可能是200Ω,則需要一個1:4的變壓器。)IN輸入端接了一個29Ω的電阻,目的是為內部運算放大器提供埠平衡。LTC6400-20的輸出經過一個10Ω的串聯電阻,直接連接到ADC的輸入端。

圖3:LTC6400和LTC2208應用實例。
圖3:LTC6400和LTC2208應用實例。

LTC6400與ADC共享同一個3.3V的電源。LTC6400利用3V或3.3V的電源供電,即可將ADC驅動到滿量程並實現高性能。而以前的解決方案中,要想將ADC驅動到輸入範圍的滿量程,並提供高性能,則需要電壓為5V的電源甚至更高。

LTC220x家族的ADC在輸入擺幅以1.25V的共模電壓為中心時工作最佳。而LTC6400使此變得很容易:將ADC的VCM接腳簡單地連接到LTC6400的VOCM接腳上,放大器的內部共模反饋迴路確保了輸出以VOCM電壓為中心。其他的ADC首選採用1.5V電壓,但介面都一樣。

本文小結

如今次微米製程使得高速ADC獲得很多性能優勢。但是,在奈奎斯特採樣或欠採樣時,為了實現最高功效,需要一個高性能的全差分放大器來驅動。LTC6400透過結合SiGe製程和創新設計,在高頻率段提供了不錯的性能,同時還能採用3V或3.3V的低電源電壓。晶片採用3x3mm的無接腳封裝,所需的外部零組件數量少,使得該驅動器可直接放到ADC的輸入端,實現高性能和緊密的PCB設計。差分輸出被最佳化,可直接實現優異的高速ADC的驅動,具有高線性度,輸入噪音低,適合通訊接收系統和高速測試系統等的高性能應用。

Brian Black

產品行銷經理

凌力爾特公司




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