低噪声精密运算放大器驱动高分辨率 SAR ADC

Erjon Qirko 和 Kris Lokere

引言

LT6018 是一款超低噪声(1kHz 时 1.2nV/√Hz)、超低失真(1kHz 时 –115dB)的运算放大器。它的增益带宽积为 15MHz,最大失调电压为50μV,最大失调电压漂移为 0.5μV/°C。这种功能组合使其适合驱动多种高分辨率模数转换器 (ADC)。本设计要点介绍在使用 LT6018 驱动高速 18 位和 20 位逐次逼近寄存器 (SAR)ADC 时,可实现最佳信噪比 (SNR) 和总谐波失真 (THD) 的电路和优化策略。

Ultralinear 20 位 ADC

图 1 显示 DC2135A 演示电路的修改版,其中 LT6018 (替代 LT1468 )用于驱动LTC2378-20 20 位 SAR ADC。LTC2378-20 具有无与伦比的 2ppm 线性度。要在创建差分信号的同时保持线性度,最佳方法是使用本演示电路板使用的 LT5400 中的精密匹配电阻。图1 所示电路的详细工作原理请参阅设计要点1032(其中用 LT1468 驱动 LTC2377-20)。

为了测量电路的线性度,在输入中馈入一个超纯正弦波,并计算输出的 FFT。得出的THD 测量值可以代替电路的 INL (积分非线性) 性能值。在 ADC 采样率为 800kHz 时,我们使用大约 100Hz(略微调整,以确保采样的一致性,从而减轻 FFT 数值限制)的输入频率。

图 1. DC2135A 演示电路板设置

原有的演示电路在运算放大器后面直接加了一个 RC 低通滤波器,用于过滤过高的频率噪声。即使在高频率条件下,LT6018 的噪声密度也保持相对较低水平,所以,移除这个滤波器几乎不会对总体噪声产生影响。移除该滤波器后,线性度(用 THD 测量)显著提高,因为单端转差分操作完全由 LT5400中的精密匹配电阻控制,不受任何不匹配的分立元件影响。

LT6018 的低噪声密度使其适合用于需要增益的电路。增益配置为 10 时,与整体幅度相比,信号强度提高 20dB,SNR 降低 2dB。如果输入信号很小,这种配置可以将信噪比有效提高18dB。和预期的一样,线性度降低幅度与放大器环路增益相当,或者约为 20dB。具体结果汇总见表 1。

表 1. LT6018 驱动 LTC2378-20 SNR 和 THD 结果

驱动高速 18 位 ADC

LTC2387-18 是一款 18 位 SAR ADC,采样速率达 15Msps。在该采样速率下,ADC 的内部采样电容可以在不到 30ns 内(“采集时间”)连接到放大器输出。在此期间,放大器(和滤波器)电路必须从电荷反冲中恢复,并补充采样电容的电荷,以便 ADC 能够在下一个转换周期测量正确的输入电压。仔细优化放大器和滤波器网络是必要的。在图 2 中,两个 LT6018 配置为单位增益跟随器,并连接至 LTC2387-18 演示电路板,后者的 ADC 输入端配置滤波器电阻和电容。

表 2 显示在输入端测量的 1.008kHz 纯正弦波的 SNR 和 THD 值,以及在相干速率为 14.680Msps 时的 ADC 采样速率。表中第一项显示 LT6200 放大器结果,这是一款高速低噪声运算放大器。滤波器配置采用演示电路板的默认带宽,约 200MHz。这种配置支持 ADC 电荷反冲完全消解,从而实现出色的 THD 性能(–120dB)。但是,SNR 要比 ADC 的 96dB 低 2dB。

LT6018 的带宽比 LT6200 低,但直流精度(失调和偏移)更高。但是,LT6018 可采用相同的配置,因为 LT6200 会大幅降低 SNR和 THD。SNR 之所以降低,是因为放大器的噪声密度可能超过下方的带宽,如果不加以过滤,该噪声将会进入 ADC。THD 之所以降低,是因为速度较慢的放大器(以满ADC 电荷反冲碰撞时)没有达到适度稳定状态,且遗留非线性残余物供 ADC 数字化。

图 2. LT6018 驱动使用 DC2290A-A 演示电路板的 LTC2387-18

我们可以通过增加电阻和电容的值,以及在两个 ADC 输入之间配置一个差分电容来过滤宽带放大器的噪声。此举可以提高该 ADC的信噪比,达到理论最大值 96dB,这意味着集成放大器的噪声可以忽略不计。此外,对于滤波器配置,倾向于选择较小的串联电阻和更大的电容时,电荷反冲的初始效应会被减弱,THD 性能因而得到改善,其值远低于–100dB。

表 2. LT6018 驱动 LTC2387-18 SNR 和 THD 结果

结论

现代 SAR ADC 兼具低噪声、高线性度和高直流失调精度特性。要达到这些规格要求,需要采用一个具备同等直流规格、低噪声及足够带宽的放大器,例如 LT6018。采用中速ADC(例如 1Msps 20 位 LTC2378-20)时,将 LT6018 与精准匹配的 LT5400 电阻配合使用可以产生差分输入信号,且无需再实施滤波。采用超快速 SAR ADC(例如 18 位15Msps LTC2387-18)时,通过优化运算放大器和 ADC 值之间的 RC 滤波网络,可以实现出色的噪声和线性度性能。

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