低噪声精密运算放大器驱动高分辨率SAR ADC详解

　　LT6018 是一款具超低失真 （在 1kHz 为 –115dB） 的超低噪声 （在 1kHz 为 1.2nV/√Hz） 运算放大器。该器件拥有 15MHz 的增益带宽积、50μV 的最大失调电压和 0.5μV/°C 的最大失调电压漂移。这种特性组合使之适合于驱动多种高分辨率模数转换器 （ADC）。当采用 LT6018 驱动高速 18 位和 20 位逐次逼近寄存器 （SAR） ADC 时，怎样实现最佳的信噪比 （SNR） 和总谐波失真 （THD） 呢？ 本 “设计要点”给出了相应的电路和优化策略。

　　超线性 20 位 ADC
　　图 1 示出了 DC2135A 演示电路的一处修改，用 LT1068 （替换了 LT1468） 驱动 LTC2378-20 20 位 SAR ADC。LTC2378-20 因其无可比拟的 2ppm 线性性能而引人注目。在保持线性度的同时产生一个差分信号的最佳方法是在该演示板所使用的 LT5400 中采用精准的匹配电阻器。图 1 所示电路的详细工作原理请见 “设计要点 1032” （在该设计要点中是用 LT1468 驱动 LTC2377-20）。
　　
　　如欲测量该电路的线性度，则把一个超纯正弦波馈入输入端，并在输出端计算 FFT。最终的 THD 测量值充当电路 INL （积分非线性） 性能的代表。在 800kHz 的 ADC 采样速率下，我们使用一个约 100Hz 的输入频率 （略作调整以确保相干采样，从而放宽 FFT 数值限制）。
　　原来的演示电路包括一个紧接在运放之后的 RC 低通滤波器，以滤除过量的高频噪声。LT6018 的噪声密度甚至在高频条件下也保持在相对较低的水平，因此去掉这个滤波器对总噪声的影响可以忽略不计。如果没有该滤波器，则线性度 （按 THD 来衡量） 显著地改善，这是因为单端至差分转换现在完全受控于 LT5400 中的精确匹配电阻器，不会受到任何匹配不佳的分立组件的损坏。
　　LT6018 的低噪声密度使其适合需要增益的电路。当配置在增益为 10 的情况下，信号强度增加 20dB，而 SNR 下降 2dB （相对于全标度）。如果输入信号很小，则这种布置可使有效信噪比改善 18dB。正如预料的那样，线性度的降幅与放大器环路增益相同，即大约 20dB。
　　结果归纳于表 1。
　　

　　驱动一个高速 18 位 ADC
　　LTC2387-18 是一款采样速率可高达 15Msps 的 18 位 SAR ADC。在该采样速率下，ADC 的内部采样电容器连接至放大器输出端的持续时间少于 30ns （“采集时间”）。在这段时间里，放大器 （和滤波器） 电路必须从电荷回踢状态恢复并补充采样电容器的电荷，于是 ADC 能够在下一个转换周期测量正确的输入电压。放大器和滤波器网络的谨慎优化是有必要的。
　　在图 2 中，两个 LT6018 被配置为单位增益跟随器，并连接至 LTC2387-18 演示板，该演示板在 ADC 输入端布设了滤波电阻器和电容器。
　　表 2 列出了 SNR 和 THD 结果，测量条件是：在输入端馈入一个 1.008kHz 的纯正弦波，而 ADC 的相干采样速率为 14.680Msps。第一个表项给出的是采用 LT6200 放大器 （一款非常高速的低噪声运放） 时的结果。滤波器配置是大约 200MHz 的演示板默认带宽。这提供了 ADC 电荷回踢的完全稳定，从而获得 –120dB 的卓越 THD 指标。不过，SNR 比 ADC 的 96dB 能力低 2dB。
　　LT6018 的带宽低于 LT6200，但是 DC 准确度 （失调和漂移） 则好得多。然而，把 LT6018 插入和 LT6200 相同的配置却显著地降低了 SNR 和 THD 性能。SNR 指标下降的原因是：与低于其带宽的时候相比，在高于其带宽的情况下放大器噪声密度会较高，而且该噪声如果未被滤除则将混叠到 ADC 中。THD 指标的劣化则是因为速度较慢的放大器在遭受大量的 ADC 电荷回踢之冲击时不会完全地稳定，并且把非线性残余物留给 ADC 去进行数字化处理。
　　
　　我们可以通过增加电阻器和电容器的数值，以及在两个 ADC 输入之间布设一个差分电容器来滤除宽带放大器噪声。这么做可把 SNR 一直改善到该 ADC 的理论最大值 96dB，这意味着积分放大器噪声已变得可忽略不计。此外，通过使滤波器配置向采用较小串联电阻器和较大电容器的方向倾斜，可减弱电荷回踢的初始影响，从而改善 THD 性能 （远低于 –100dB）。
　　

　　新式 SAR ADC 组合了低噪声与高线性度和精准的 DC 偏移准确度。实现这些性能指标需要采用一个具有同样好的 DC 规格参数、低噪声和充足带宽的放大器，比如 LT6018。借助中等速度 ADC （例如：1Msps 20 位 LTC2378-20），LT6018 结合精准匹配的 LT5400 电阻器能够产生一个差分输入信号，并不需要额外的滤波。当采用超快速 SAR ADC （如 18 位 15Msps LTC2387-18） 时，通过对一个介于运放和 ADC 之间的 RC 滤波器网络的谨慎优化可实现超卓的噪声和线性性能。