高速转换系统,尤其是电信领域的转换系统,允许模数转换器(ADC)输入信号为AC耦合信号(通过利用变压器、电容器或两者的组合)。但对于测试和测量行业而言,前端设计并非如此简单,这是因为除提供AC耦合能力之外,该应用领域通常要求输入信号与DC耦合。设计可提供良好脉冲响应和低失真性能(≥500MHz的DC频率)的有源前端充满挑战。本文就适用于高速数据采集的高性能ADC使用的模拟前端提供几种设计思想和建议。
图1 LMH6703频响
使用差分放大器是将高频模拟信号与ADC的输入相连的首选方法。因此,需要选择的第一个器件就是差分输出运算放大器。选择这类器件时,主要有两个考虑因素:增益带宽积和从外部电压设置运算放大器的共模输出电压的能力。这是因为驱动ADC输入的信号放大器将共模输出电压(VCMO)设置在最适合的ADC范围内是很重要的。如果不能满足这些条件,ADC的性能会随着放大器的VCMO和ADC的最佳输入共模电压间不一致程度的增加而大幅降低。
宽带差分运算放大器的主要劣势在于其增益通常都很有限,且其增益级别也许在内部已经预设。根据应用的不同,可能需要为设计添加前置放大器,从而满足必须的增益要求。
至于前置放大器应该采用宽带运算放大器,以满足ADC的预期输入频率。对于采样速率高达1GSPS的系统而言,这等于要求过采样系统具有高达500MHz的输入带宽。
图2 二级放大器电路图
对于与大增益(如AV=10)一起工作并能保持这样大的带宽的运算放大器而言,其等同于5GHz增益带宽积(GBW)。由于该架构固有的频响和增益之间的直接折中,大多数的电压反馈放大器都不能满足该要求。然而,电流反馈放大器在这些参数中保持较好的关系,因为其性能通常由运算放大器电路内的反馈电阻值决定。运算放大器LMH6703非常适于在增益设置为1~10的高带宽下工作。该器件可与所选的差分放大器一起使用,从而在高带宽系统(如示波器和数据采集卡)中提供额外的增益要求。该放大器的频响见图1。
图3 带有扩展AC信号性能的系统频响
如果增益设置为10且带宽为500MHz,则由图1得到300欧姆的推荐反馈电阻(RF1)。
因此RG1(增益电阻)可选为33欧姆。图2是LMH6703和一个差分放大器一起使用的电路实例。
除了需要具有合适的DC信号通道的固定增益级别的系统,该应用还需要一个AC耦合模式。这是因为DC信号通道通常受到输入放大器所产生的增益带宽的限制。对于数据采集器件或需要很宽的输入带宽和低失真的通信通道而言,我们需要采用AC信号通道。这可将输入频率上限扩展到DC信号通道容量以外。