作者：Kris Lokere and Erjon Qirko

LT6018 是一款超低噪聲 （1kHz 時(shí)為 1.2nV/√Hz） 運(yùn)算放大器，具有超低失真 （1kHz 時(shí)為 –115dB）。該器件的增益帶寬積為 15MHz，最大失調(diào)電壓為 50μV，最大失調(diào)電壓漂移為 0.5μV/°C。 這種特性組合使其適合驅(qū)動(dòng)各種高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。本設(shè)計(jì)筆記介紹了在使用 LT6018 驅(qū)動(dòng)高速 18 位和 20 位逐次逼近寄存器 （SAR） ADC 時(shí)實(shí)現(xiàn)最佳信噪比 （SNR） 和總諧波失真 （THD） 的電路和優(yōu)化策略。

超線性 20 位 ADC

圖 1 示出了 DC2135A 演示電路的修改，其中 LT6018 （取代 LT1468） 驅(qū)動(dòng) LTC2378-20 20 位 SAR ADC。LTC2378-20 以其無(wú)與倫比的 2ppm 線性度性能而著稱。在保持線性度的同時(shí)產(chǎn)生差分信號(hào)的最佳方法是使用本演示板中使用的LT5400中的精準(zhǔn)匹配電阻器。圖 1 所示電路的詳細(xì)工作原理出現(xiàn)在設(shè)計(jì)筆記 1032 （其中 LT1468 驅(qū)動(dòng) LTC2377-20）。

為了測(cè)量電路的線性度，將超純正弦波饋入輸入端，并在輸出端計(jì)算FFT。由此產(chǎn)生的THD測(cè)量值可代表電路的INL（積分非線性）性能。在800kHz的ADC采樣速率下，我們使用約100Hz的輸入頻率（略微調(diào)整以確保相干采樣，減輕FFT數(shù)值限制）。

原始演示電路包括一個(gè)RC低通濾波器，直接位于運(yùn)算放大器之后，用于濾除多余的高頻噪聲。即使在高頻下，LT6018 的噪聲密度也保持相對(duì)較低，因此移除此濾波器對(duì)總噪聲的影響可以忽略不計(jì)。在沒有濾波器的情況下，線性度 （由 THD 測(cè)量） 顯著提高，因?yàn)閱味酥敛罘洲D(zhuǎn)換現(xiàn)在完全由 LT5400 中精確匹配的電阻器控制，不受任何匹配不良的分立組件的破壞。

LT6018 的低噪聲密度使其適合于需要增益的電路。配置為增益為10時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度增加20dB，而SNR相對(duì)于滿量程降低2dB。如果輸入信號(hào)很小，這種布置可將有效信噪比提高18dB。正如預(yù)期的那樣，線性度的降低幅度與放大器環(huán)路增益相同，即約20dB。

結(jié)果總結(jié)在表1中。

驅(qū)動(dòng)高速18位ADC

LTC?2387-18 是一款 18 位 SAR ADC，其采樣速率高達(dá) 15Msps。在此采樣速率下，ADC的內(nèi)部采樣電容連接到放大器輸出的時(shí)間不到30ns（“采集時(shí)間”）。在此期間，放大器（和濾波器）電路必須從電荷反沖中恢復(fù)并補(bǔ)充采樣電容的電荷，以便ADC可以在下一個(gè)轉(zhuǎn)換周期測(cè)量正確的輸入電壓。需要仔細(xì)優(yōu)化放大器和濾波器網(wǎng)絡(luò)。

在圖 2 中，兩個(gè) LT6018 配置為單位增益跟隨器，并連接到 LTC2387-18 演示板，該演示板在 ADC 輸入端提供了濾波電阻器和電容器。

表2顯示了在輸入端以1.008kHz純正弦波測(cè)得的SNR和THD結(jié)果，以及相干14.680Msps的ADC采樣。第一個(gè)表?xiàng)l目顯示了LT6200放大器（一款非常高速度、低噪聲的運(yùn)放）的結(jié)果。濾波器配置為演示板默認(rèn)帶寬約200MHz。這允許ADC電荷反沖完全建立，從而實(shí)現(xiàn)–120dB的出色THD。但是，SNR比ADC的96dB能力低2dB。

LT6018 具有比 LT6200 更低的帶寬，但 DC 準(zhǔn)確度 （失調(diào)和漂移）要好得多。然而，將 LT6018 插入與 LT6200 相同的配置會(huì)顯著降低 SNR 和 THD。SNR會(huì)降低，因?yàn)榉糯笃髟肼暶芏瓤赡芨哂谄鋷捀哂诘陀趲挘绻贿M(jìn)行濾波，該噪聲將混疊到ADC中。THD之所以會(huì)降低，是因?yàn)樗俣容^慢的放大器（當(dāng)被全ADC電荷反沖擊中時(shí)）不能正確建立，并留下非線性殘余供ADC數(shù)字化。

我們可以通過增加電阻和電容的值，并在兩個(gè)ADC輸入之間加入差分電容來濾除寬帶放大器噪聲。這樣做可以將SNR一直提高到該ADC的理論最大值96dB，這意味著集成放大器噪聲可以忽略不計(jì)。此外，通過將濾波器配置偏向較小的串聯(lián)電阻和較大的電容，電荷反沖的初始效應(yīng)會(huì)衰減，從而改善THD性能，遠(yuǎn)低于–100dB。

結(jié)論

現(xiàn)代SAR ADC集低噪聲、高線性度和精確的直流失調(diào)精度于一身。實(shí)現(xiàn)這些規(guī)格需要具有類似良好直流規(guī)格、低噪聲和足夠帶寬的放大器，例如LT6018。利用中速 ADC （例如 1Msps 20 位 LTC2378-20），LT6018 與精準(zhǔn)匹配的 LT5400 電阻器相結(jié)合，可產(chǎn)生一個(gè)差分輸入信號(hào)，而無(wú)需額外的濾波。利用超快SAR ADC （例如18位15MspsLTC2387-18），仔細(xì)優(yōu)化運(yùn)算放大器和ADC之間的RC濾波器網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)出色的噪聲和線性度性能。

審核編輯：郭婷