運用于模擬前端的運算放大器設計技巧

　高速轉換系統，尤其是電信領(lǐng)域的轉換系統，允許模數轉換器(ADC)輸入信號為AC耦合信號(通過(guò)利用變壓器、電容器或兩者的組合)。但對于測試和測量行業(yè)而言，前端設計并非如此簡(jiǎn)單，這是因為除提供AC耦合能力之外，該應用領(lǐng)域通常要求輸入信號與DC耦合。設計可提供良好脈沖響應和低失真性能(≥500MHz的DC頻率)的有源前端充滿(mǎn)挑戰。本文就適用于高速數據采集的高性能ADC使用的模擬前端提供幾種設計思想和建議。

　　圖1：LMH6703頻響。

　　使用差分放大器是將高頻模擬信號與ADC的輸入相連的首選方法。因此，需要選擇的第一個(gè)器件就是差分輸出運算放大器。選擇這類(lèi)器件時(shí)，主要有兩個(gè)考慮因素：增益帶寬積和從外部電壓設置運算放大器的共模輸出電壓的能力。這是因為驅動(dòng)ADC輸入的信號放大器將共模輸出電壓(VCMO)設置在最適合的ADC范圍內是很重要的。如果不能滿(mǎn)足這些條件，ADC的性能會(huì )隨著(zhù)放大器的VCMO和ADC的最佳輸入共模電壓間不一致程度的增加而大幅降低。

　　寬帶差分運算放大器的主要劣勢在于其增益通常都很有限，且其增益級別也許在內部已經(jīng)預設。根據應用的不同，可能需要為設計添加前置放大器，從而滿(mǎn)足必須的增益要求。

　　至于前置放大器應該采用寬帶運算放大器，以滿(mǎn)足ADC的預期輸入頻率。對于采樣速率高達1GSPS的系統而言，這等于要求過(guò)采樣系統具有高達500MHz的輸入帶寬。

　　圖2：二級放大器電路圖。

　　對于與大增益(如AV=10)一起工作并能保持這樣大的帶寬的運算放大器而言，其等同于5GHz增益帶寬積(GBW)。由于該架構固有的頻響和增益之間的直接折中，大多數的電壓反饋放大器都不能滿(mǎn)足該要求。然而，電流反饋放大器在這些參數中保持較好的關(guān)系，因為其性能通常由運算放大器電路內的反饋電阻值決定。運算放大器LMH6703非常適于在增益設置為1～10的高帶寬下工作。該器件可與所選的差分放大器一起使用，從而在高帶寬系統(如示波器和數據采集卡)中提供額外的增益要求。該放大器的頻響見(jiàn)圖１。

　　圖3：帶有擴展AC信號性能的系統頻響。

　　如果增益設置為10且帶寬為500MHz，則由圖１得到300歐姆的推薦反饋電阻(RF1)。

　　因此RG1(增益電阻)可選為33歐姆。圖2是LMH6703和一個(gè)差分放大器一起使用的電路實(shí)例。

　　除了需要具有合適的DC信號通道的固定增益級別的系統，該應用還需要一個(gè)AC耦合模式。這是因為DC信號通道通常受到輸入放大器所產(chǎn)生的增益帶寬的限制。對于數據采集器件或需要很寬的輸入帶寬和低失真的通信通道而言，我們需要采用AC信號通道。這可將輸入頻率上限擴展到DC信號通道容量以外。

　　解決辦法有很多種，選擇哪種方法在很大程度上取決于最小的輸入頻率以及所需的高頻性能。對于高頻下(≥200MHz)的最高AC性能而言，平衡/非平衡變壓器為實(shí)現單端-差分轉換提供了解決方案，因為增加的信號失真很少。其折衷在于平衡/非平衡變壓器是有損耗器件，會(huì )小幅(-12dB)削弱信號，并且它們的低頻性能很差。通過(guò)使用單刀RF繼電器來(lái)將單端輸出信號從前置放大器切換到差分放大器或平衡/非平衡轉換電路中，可以將平衡/非平衡耦合信號通道插入圖3所示的電路中。還需要另一個(gè)單刀雙擲RF繼電器來(lái)將平衡/非平衡變壓器和差分放大器的輸出轉發(fā)到ADC輸入中。

　　圖4：198 MHz正弦波(由高速差分輸出運算放大器發(fā)送、由ADC08D500以500 MSPS的速率進(jìn)行采樣)的FFT圖。

　　該電路很適于高端測試和測量設備。但是，對于成本敏感的應用，RF信號繼電器的成本造成了系統預算的負擔，特別是在需要多個(gè)通道的情況下。因此低速系統選擇可用于A(yíng)C耦合和DC耦合模式的差分輸出運算放大器會(huì )很有利，從而去除了平衡/非平衡轉換電路。特別適合于該任務(wù)的放大器開(kāi)始逐漸出現，并在逐漸提高帶寬和THD方面的性能。

　　對于8位1GSPS的轉換器而言，在500MHz下能夠提供-50dB THD值的、最小帶寬為1GHz的差分放大器是很適合的。利用可以極大縮短前端設計時(shí)間的現成的運算放大器元件，可以從高速ADC獲取較好的動(dòng)態(tài)性能。在頻率上限處，放大器引起的SINAD