全差分驱动器开启高速ADC的高性能应用之门

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采用高速ADC的设计师所面临的最大挑战之一就是找到一个适合于驱动ADC的放大器。直到最近，ADC驱动器的选择还一直受限。通常射频放大器为单端，体积大、功耗高，而且需要一个5-12V的电源。最近，业界开发出了全差分放大器，但它们中很多都是被优化用于窄输入信号带宽，需要一个高电压电源，或者需要约束ADC的速度、噪声和/或失真性能。由凌力尔特公司开发的新放大器系列能帮助工程师实现ADC的性能，同时简化高频电路板的设计。
高速+高性能+低电压电源
LTC6?00-20和LTC6?01-20为该高速全差分放大器家族的首批成员，工作电源为3V或3.3V，具有优异的性能。这两款器件都具有20dB的内部固定增益，具有高速、低噪声和低失真以及低功耗特点。采用的是先进的互补双极硅锗工艺。由于锗原子比硅原子大，在硅工艺中有选择地加入一些锗会在材料的晶体结构中产生应力。实际上这种应力将导致好的电特性，例如更高的迁移率和更精密的基区宽度控制，可以制作速度更高的晶体管。LTC6?00-20的-3dB带宽为1.8GHz，而压摆率达到4500V/us，所耗电流仅仅80mA。LTC6?01-20仅以一半的功率实现大约LTC6?00-20速度的2/3。图1给出了输出信号为2Vpp时，LTC6?00-20在不同频率上的互调失真性能。LTC6?00在140MHz能获得90dBc失真,而在几百MHz的频率下能获得-70dBc的失真。
ADC驱动器的另一个关键性能是贡献的噪声要小。LTC6?00基于一个差分运算放大器，输入噪声密度很低，为1nV/√Hz。内部100Ω的差分输入电阻不可避免地会增加一定噪声，产生2.1nV/√Hz的总输入参考噪声密度。另一个*判噪声的方法是根据信噪比。LTC6?00-20输出噪声密度为21nV/√Hz(因为增益为20dB或10V/V)。如果把信号带宽限制到50MHz，噪声总和为148μVRMS。相对于2VP-P满量程信号来说，允许73.5dB的信噪比。这与LTC2249这类的14位通用ADC相匹配。


图1：LTC6?00的三阶互调失真与频率的关系图。
集成带来高性能
图2为LTC6?00的框图。LTC6?00-20和LTC6?01-20的设计思想是容易使用。除了放大器外，还集成了几个其他功能，包括增益设定电阻、输出信号滤波以及输出共模电路。所有功能都封装在一个3x3mm的16引脚的QFN封装里。这种集成带来了以下几个显著的优点。


图2: LTC6?00的功能框图。
最为显著的是减少了外部元器件数量，电阻器和电容器较少意味着占位面积小，且令人头疼的问题也少。
通过集成高度匹配的增益设定电阻，提供了精密的增益，因而稳定度得到改善。稳定度改善的原因是将敏感的反馈环路内置到芯片封装里。电路板上的反馈环路的布线所引起的寄生电容会产生寄生极(parasitic pole)。而且，将输入和输出端引出来的感性连接线移出敏感的反馈环路。
由于增益是已知的并且是内部固定的，放大器在尽可能宽的带宽上具有最大的平坦度，群延迟变化也最小。为了实现特定的增益设置，可以调整内部补偿，从而使速度、功率和失真性能达到最佳。
提供两路差分输出—滤波输出和未滤波输出。片上滤波器是一个专门设计的单极点RC滤波器，用来简化高速管线和SAR ADC所呈现的容性负载的驱动。拐点频率(corner frequency)的调整很容易，只需增加几个外部元件。
输出共模引脚允许ADC采用相同的参考地，以便设置ADC驱动器的输出信号电平。当输入采用AC耦合时，输入共模电压被自动偏置到与VOCM引脚上的电压相近的电平。LTC6?00-20在I/O耦合方面非常灵活，输入和输出端都可以利用AC或DC耦合。
应用实例
图3给出了一个典型应用实例，即利用LTC6?00来驱动LTC2208 16位130MSPS ADC。本例中，输入信号为单端，通过一个隔直流电容加到LTC6?00的+IN输入端。当然，输入信号也可以直流耦合，只要直流电压位于放大器的输入共模范围内。从图2中不难发现，LTC6?00-20的差分输入阻抗为200Ω。利用一个66.5Ω的电阻使得总输入阻抗为50Ω，从而可以与50Ω的源阻抗匹配。(在其他情况下，源阻抗可能是200Ω，则需要一个1：4的变压器。)-IN输入端接了一个29Ω的电阻，目的是为内部运算放大器提供端口平衡。LTC6?00-20的输出经过一个10Ω的串联电阻，直接连接到ADC的输入端。


图3：LTC6?00和LTC2208应用实例。
LTC6?00与ADC共享同一个3.3V的电源。LTC6?00利用3V或3.3V的电源供电，即可将ADC驱动到满量程并实现高性能。而以前的解决方案中，要想将ADC驱动到输入范围的满量程，并提供高性能，则需要电压为5V的电源甚至更高。
LTC220x家族的ADC在输入摆幅以1.25V的共模电压为中心时工作最佳。而LTC6?00使此变得很容易：将ADC的VCM引脚简单地连接到LTC6?00的VOCM引脚上，放大器的内部共模反馈环路确保了输出以VOCM电压为中心。其他的ADC首选采用1.5V电压，但接口都一样。
本文小结
如今亚微米工艺使得高速ADC获得很多性能优势。但是，在奈奎斯特采样或欠采样时，为了实现最高功效，需要一个高性能的全差分放大器来驱动。LTC6?00通过结合SiGe工艺和创新设计，在高频率段提供了不错的性能，同时还能采用3V或3.3V的低电源电压。芯片采用3x3mm的无引脚封装，所需的外部元器件数量少，从而使得该驱动器可以直接放到ADC的输入端，可以实现高性能和紧凑的PCB设计。差分输出被优化，从而可以直接实现优异的高速ADC的驱动，具有高线性度，输入噪声低，因而适合用于像通信接收系统和高速测试系统等类的高性能应用。

发布者：小宇