自七十年代中期以來,模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的結(jié)構(gòu)與集成工藝有了較大進展,,性能得到 較大改善,,其中包括:高轉(zhuǎn)換速率、高分辨率,、低失真以及開關(guān)電容輸入結(jié)構(gòu),、單電源工作 等。從而使設(shè)計人員在為特定的ADC 選擇驅(qū)動放大器(或緩沖器)時,,必須考慮阻抗匹配,、 電荷注入、噪聲抑制,、輸出精度和輸出驅(qū)動能力等諸多因素,。
噪聲、失真對性能的影響
理想情況下,,運放信號源應(yīng)該對ADC 誤差不產(chǎn)生額外的貢獻,。為避免額外的噪聲引入系 統(tǒng),信號源信/噪比(SNR)應(yīng)優(yōu)于ADC 的理論上限,。而新一代運算放大器的噪聲特性均遠優(yōu) 于12 位,,并且優(yōu)于16 位噪聲特性的器件也不難找到,因此,,這一要求很容易滿足,。另外, 失真同樣會降低動態(tài)特性,,這種影響可以通過選擇適當?shù)姆糯笃骷右匝a償,,具體選擇時,需 保證放大器的失真遠低于轉(zhuǎn)換器的總諧波失真(THD),。例如MAX195為16位逐次逼近型ADC,, 其THD 為-97dB(0.0014%),而MAX4256 的信噪比加失真(SINAD)可達-115dB,。這樣高的性 能允許采用同相輸入,、并且工作于單電源的運算放大器MAX4256作為16位ADC的驅(qū)動放大。
帶寬和建立時間
對于驅(qū)動放大器的速度要求,,應(yīng)使其建立時間與ADC 的采樣時間相匹配,。也就是說,只 有當ADC 采樣輸入信號的時間間隔大于最差情況下放大器的建立時間時,,才能保證轉(zhuǎn)換結(jié)果 的精度,。大量的運算放大器能夠令人滿意地與12位ADC協(xié)同工作,,但適合14位或16位ADC、 速度高于500kHz 的選擇就十分有限了,。這種選擇需要在噪聲、失真和建立時間等參數(shù)之間 進行折衷考慮,。特別是對建立時間的選擇具有一定的困難,,因為很少有運算放大器制造商在 16位性能下測試該項指標(0.001%)。
為滿足視頻及其它高速應(yīng)用,,Maxim 研制開發(fā)了范圍廣闊的各種視頻運算放大器,,這些 放大器同時也適合作為高速ADC的驅(qū)動器。它們當中,,新型低噪聲,、低失真、880MHz視頻運 放系列產(chǎn)品可用于構(gòu)造性能杰出的驅(qū)動放大器,。
緩沖器性能與ADC輸入結(jié)構(gòu)
在選擇驅(qū)動放大器時還需考慮的一個關(guān)鍵因素是ADC 的輸入結(jié)構(gòu),。例如,閃電式ADC 最 難以驅(qū)動,,因為它們具有很大的非線性輸入電容,。具有新型開關(guān)電容結(jié)構(gòu)的ADC 也需要特別 的關(guān)注,這種ADC 在每次轉(zhuǎn)換結(jié)束時都由一個小的浪涌輸入電流,,為避免造成誤差,,驅(qū)動放 大器應(yīng)能夠在下一次轉(zhuǎn)換啟動前從這種瞬態(tài)恢復(fù)并重新建立??刹捎靡韵聝煞N解決方案:
1,、 要求驅(qū)動ADC 的運算放大器對于負載瞬變的響應(yīng)快于ADC 的采樣時間(許多新型ADC 內(nèi) 置有這樣的寬帶采樣/保持)。幸運的是,,大多數(shù)運算放大器對于負載瞬變的響應(yīng)遠比對 輸入階躍的響應(yīng)快得多,,所以該要求對于外部緩沖器來講并不難滿足。
2,、 在輸入端采用一個RC 濾波器,,電容值要遠大于ADC 的輸入電容。這個大電容為采樣電容 提供電荷,,從而消除了瞬變,。為吸收瞬變,Maxim 通常推薦在ADC 輸入和地之間 連接一個1000pF或更大的電容,。RC濾波器同時也減小了放大器在驅(qū)動容性負載時產(chǎn)生穩(wěn) 定性問題的可能,。與電容相串聯(lián)的小電阻有助于阻止自激和振蕩。
另外一個關(guān)鍵問題是要求放大器在整個感興趣的輸入信號頻率范圍內(nèi)保持低輸出阻抗,。 高輸出阻抗的運算放大器不能迅速響應(yīng)ADC 輸入電容的改變,,也不能處理ADC 產(chǎn)生的瞬態(tài)電 流,。而要獲得低輸出阻抗就應(yīng)具有高環(huán)路增益,根據(jù)等式ROUT=RO/(1+AVOβ),, 其中RO是開環(huán) 輸出阻抗,,AVOβ是環(huán)路增益。當接近運放的單位增益穿越頻率時AVOβ會下降,,導(dǎo)致輸出阻 抗增大,。由此可見,對低阻抗的要求變成了對于帶寬的要求,。因為在更高頻率下,,寬帶運放 具有更高的環(huán)路增益,因此也就具有更低的輸出阻抗,,在一個50Msps ADC前端采用一個500MHz 運放是很明智的做法,。寬帶運放比低帶寬運放在吸收ADC 產(chǎn)生的浪涌電流方面更加有效。例如超聲系統(tǒng)中,,新型10位ADC的典型采樣頻率為50MHz,,在此頻率下MAX4100 的輸出電阻低 于2Ω,此外,,MAX4100可提供500MHz的單位增益帶寬,,250V/μS的壓擺率,以及35ns(至 0.01%)或18ns(至0.1%)的建立時間,,這些特性使其在醫(yī)療超聲系統(tǒng)中被非常普遍地用于 ADC的驅(qū)動,。