使用带有集成放大器的模块来消除高速 ADC 设计中的“黑魔法”

就数据采集、硬件在环 (HiL) 和功率分析仪等系统设计者而言，需要有一个模拟信号转换链，能够在通常是高达每秒 1500 万次采样 (MSPS) 的极高采样率下具有高分辨率、高精度。然而，高速模拟设计在许多设计者看来就像“黑魔法”，尤其是在面对一系列影响信号完整性的隐蔽寄生现象时。

例如，典型的设计是分立的，包含几个IC和元件，包括一个全差分放大器（FDA），一个一（¹）阶低通滤波器（LPF），一个电压基准，以及一个高速、高分辨率的模数转换器（ADC）。电容性和电阻性寄生现象出现在 ADC 激励放大器 (FDA)、ADC 输入滤波器和 ADC 内部和周围。

消除、减少或减轻这些寄生现象的影响极具挑战性。这需要很高的技术技能，还可能需要经过多次电路设计和 PC 板布局迭代，必然会影响设计进度和预算。现在需要的是一个更完整的集成解决方案，可以解决许多类似的设计问题。

本文将描述一个分立式数据采集电路及相关布局问题，然后介绍一个包含高分辨率、高速逐次逼近寄存器 (SAR) ADC 与前端 FDA 的集成模块。本文还将介绍 Analog Devices 的 ADAQ23875 完整模块及其相关开发板是如何通过简化、加速设计过程来克服高速设计难题的，同时还能实现所需的高分辨率、高速转换结果。

高速数据采集信号路径

高性能 ADC 使用差分输入，从而通过平衡输入信号，杜绝共模噪声和干扰来提高整体性能。当模拟 ADC 驱动器和 ADC 的输入为全差分时，模拟 ADC 驱动器将达到最佳性能（图 1）。使用低压差分信号 (LVDS) 串行接口（右）使系统能够以极高的速度运行，可用于数据采集、HiL 和功率分析仪应用。

图1：一个带有前端FDA、^一阶模拟滤波器和带有高速LVDS串行接口的差分输入SAR-ADC的高频数据采集系统。（图片来源：Bonnie Baker）

图 1 中的配置能够执行许多基本功能，包括幅值调节、单端到差分转换、缓冲、共模失调调节和滤波。

FDA 驱动技术

FDA 电压反馈式 ADC 驱动器的工作原理与传统放大器一样，但有两点不同。首先，FDA 有一个差分输出，带一个额外负输出端 (V_ON)。第二，这种器件增加了一个输入端 (V_OCM)，可用于设置输出共模电压（图 2）。

图 2：FDA 有两个输入，含反馈回路和输出共模电压的电压控制 (V_OCM)。这种配置构建了一个独立差分输入 (V_{IN, dm}) 和差分输出 (V_{OUT, dm}) 电压。（图片来源：Analog Devices）

在内部，FDA 有三个放大器构成：两个在输入端，第三个则充当输出级。两个内部输入放大器的负反馈 (R_F1, R_F2) 和高开环增益决定了输入端 VA+ 和 VA- 的特性几乎相同。FDA 不是一个单端输出，而是在 V_OP 和 V_ON 之间产生一个平衡的差分输出，共模电压为 V_OCM。

差分输入信号（V_IP 和 V_IN）基于一个共模基准电压 (V_{IN, cm})，幅值相等，相位相反，且采用平衡输入信号。等式 1 和等式 2 显示了如何计算差模输入电压 (V_{IN, dm}) 和共模输入电压 (V_{IN, cm})。

 等式 1

 等式 2

等式 3 和等式 4 给出了输出差分和共模的定义。

 等式 3

 等式 4

注意等式 4 中加入了 V_OCM。

与典型的放大器电路一样，FDA 系统的增益取决于 R_Gx 和 R_Fx 值。等式 5 和等式 6 定义了 FDA 的两个输入反馈因子 β₁ 和 β₂。

 等式 5

 等式 6

当 β₁ 等于 β₂ 时，等式 7 给出了 FDA 的理想闭环增益。

 等式 7

V_{OUT, dm} 有助于深入了解电阻性失配性能。V_{OUT, dm} 的一般闭环等式包括 V_IP、V_IN、β₁、β₂ 和 V_OCM。等式 8 显示了 V_{OUT, dm} 的公式，放大器的开环电压增益表示为 A(s)。

等式 8

当 β₁ ≠ β₂ 时，差分输出电压 (V_{OUT, dm}) 的误差主要取决于V_OCM。这种非理想结果在差分输出中会产生失调和过多的噪声。如果 β₁= β₂≡ β，等式 8 变成等式 9。

等式 9

两个输出的平衡量是幅值和相位。幅值平衡用于衡量两个输出幅值是否匹配；理想情况下完全匹配。相位平衡用于衡量两个输出之间相位差的接近程度，理想情况下等于 180°。

FDA 稳定性方面的考虑与标准运算放大器相同。关键规格是相位裕度。产品数据表会给出特定放大器配置的相位裕度；然而，PC 板布局的寄生效应会大大降低稳定性。在负电压反馈放大器的情况下非常明显：稳定性取决于其回路增益、A(s) × β、符号和幅值。相比之下，FDA 有两个反馈因子。等式 8 和等式 9 的分母中都含回路增益。等式 10 描述了无匹配反馈因子情况下的回路增益（β1 ≠ β2）。

等式 10

要减小上述所有误差，关键在于与分立式电阻器 R_G1、R_G2、R_F1 和 R_F2 的繁琐而昂贵的匹配过程。

FDA 和 ADC 的综合性能

FDA、分立电阻、^一阶滤波器和ADC组合讲述了信噪比（SNR）、总谐波失真（THD）、信噪比和失真（SINAD）以及无杂散动态范围（SFDR），它们在整个电路精度和分辨率方面增加了FDA的性能特征。综合规格包括 SNR、THD、SINAD 和 SFDR。FDA 有许多影响这些频率规格的规格参数，如带宽、输出电压噪声、失真、稳定性和建立时间，所有这些都会影响 ADC 的性能。ADC 有自己的一套规格参数。面临的一大难题是如何选择适当的 FDA 来匹配 ADC。

电路板布局

电脑板布局是设计过程的最后一步。遗憾的是，布局在设计过程中可能会被忽视，导致电路板设计不良，这可能会影响电路性能，甚至会让电路一文不值。这个完整的分立式电路包括集成电路、六个电阻器和多个去耦电容器（图 3）。

图3：FDA和SAR-ADC的^一阶LPF与电源去耦电容。（图片来源：Analog Devices）

在图 3 中，破坏高速电路性能的寄生元素是 PC 板的寄生电容和电感。元器件焊盘、印制线、过孔和与电源平面并联的接地是罪魁祸首。这些电容和电感在放大器的求和节点尤其危险，因为这些器件会在反馈响应中引入极点和零点，从而导致出现峰值和不稳定。

集成解决方案

SAR转换器可以提供一个FDA，关键的无源元件，^一阶滤波器，电压基准和去耦电容，以提高有效的分辨率。例如，Analog Devices 的 ADAQ23875 是一款 16 位、15 MSPS 数据采集模块，具有了所有这些要素（图 4）。因此，该器件通过将元器件选择、优化和布局的设计任务从设计者转移到集成电路，从而缩短了精密测量系统的开发周期。

图4： ADAQ23875简化了高速ADC的设计， ，将FDA、^一阶滤波器、SAR-ADC结合到一个模块上，并由FDA周围的激光微调增益电阻以及片上去耦电容支持。（图片来源：Analog Devices）

无源片上阻性分量具有卓越的匹配和漂移特性，能最大限度减少依赖寄生的误差源，并提供优化性能以确保 β₁ 和 β₂ 的紧密匹配度。这些回路增益的配有助于创造模块的 ±1 毫伏 (mV) 失调和 91.6 微伏均方根 (μV_RMS) 总 RMS 噪声规格。

带隙 2.048 V 电压基准具有低噪音和低漂移（每摄氏度百万分之 20 (ppm/°C)），以支持 FDA 和 16 位 ADC 系统。结合 FDA，这些规格转化为 SAR-ADC 90 dB SNR 精度和 ±1 ppm/°C 增益漂移。FDA 的 V_OCM 引脚使用基准电压的 2.048 V 来提供其输出共模电压。

内部基准缓冲器将 2.048 V 基准电压提高至两倍，为 ADC 基准电压生成 4.096 V。ADC 的基准电压与 GND 之间的电压差决定了 ADAQ23875 SAR-ADC 的满量程输入范围。另外，ADAQ23875 在基准缓冲器和 GND 之间有一个片上 10 微法 (μF) 去耦电容器，可吸收 SAR-ADC 基准转换电荷尖峰并缓解分立式设计布局的限制。

如图 4 所示，FDA 的输入共模电压与 FDA 的输出共模电压无关。从例 1 到例 3，电源电压为：

VS+ = 7 V（FDA 正电源电压）

VS- = -2 V（FDA 负电源电压）

VDD = +5 V（ADC 电源电压）

VIO = 2.5 V（模拟和数字输出电源）

例 1 所示输入电压范围为 ±1.024 V，输入共模电压为 -1 V。FDA 对这些信号施加 2 V/V 增益，FDA 的电平会使输出电压移动 V_CMO 或 2.048 V。该过程给出的信号范围为 ±2.048 V，以及来自 FDA 输出端的 2.48 V _CMO 共模电压。^一阶滤波器的角频率是1/（2pR x C）赫兹（Hz）或~78兆赫兹（MHz）。ADC 的信号输入范围为 ±2.048 V，共模电压为 +2.048 V。

ADAQ23875 的 LVDS 数字接口提供单路或双路输出模式，允许用户优化每个应用的接口数据速率。接口的数字电源是 VIO。

ADAQ23875 有四个电源：内部 ADC 核心电源 (VDD)、数字输入/输出接口电源 (VIO)、FDA 正电源 (VS+) 和负电源 (VS-)。为了缓解 PC 板布局问题，所有电源引脚都有 0.1mF 或 0.2mF 片上去耦电容器。必须在 LDO 稳压器输出端的 PC 板上使用高品质 2.2μF (0402, X5R) 陶瓷去耦电容器。这些稳压器会产生 μModule 电源轨 (VDD, VIO, VS+ 和 VS-)，可最大限度减少对电磁干扰 (EMI) 的敏感性并降低对电源线路突变的影响。所有其他所需的去耦电容器都整合在 ADAQ23875 内部，从而改善整个子系统的电源抑制比 (PSRR)，并节省更多的电路板空间和成本。如需使用内部基准和内部基准缓冲器，用一个 0.1 μF 陶瓷电容器将 REFIN 引脚对 GND 去耦。

ADAQ23875 模块消除了为 ADC 选择适当的 FDA 和电阻网络的麻烦，同时仍然能确保高性能和严格的 SNR、THD、SINAD 和 SFDR 规格（分别为 89.5 dB、-115.8 dB、89 dB 和 114.3 dB）（图 5）。通常情况下，由设计者来收集系统的各种规格参数。ADAQ23875 的系统方法有助于设计人员更有效地实现这些规格。

图5：ADAQ23875模块创建的SNR、THD、SINAD、SFDR规格，通过了片上FDA、^一阶滤波器和SAR-ADC。（图片来源：Analog Devices）

图 5 所示为 ADAQ23875 1 kHz 差分输入信号器件的 SNR、THD、SINAD 和 SFDR 的测试结果。对于特定应用，ADAQ23875 的 EVAL-ADAQ23875FMCZ 配以软件协助进行器件评估，具体包括器件编程、波形、柱状图和 FFT 捕获。设计者可以将评估板连接 ADI 的 EVAL-SDP-CH1Z 系统演示平台，以获得电源并允许 PC 通过 SDP-CH1Z 的 USB 端口控制评估板（图 6）。

图 6：ADAQ23875FMCZ 评估板（左）与系统演示平台（EVAL-SDP-CH1Z）板（右）相连接，允许通过 PC 的 USB 端口控制评估板。（图片来源：Analog Devices）

使用评估板软件，即ACE插件（Board ADAQ23875 1.2021.8300 [Feb 18 21]）和 ACE 安装软件 1.21.2994.1347 [Feb 08 21]，用户可以配置每个通道的超采样值、输入范围、采样数量并有效选择通道。此外，该软件还可以保存和打开测试数据文件。

结语

为了克服高速模拟设计的挑战并实现最佳的整体数据采集性能，设计人员可以借助 ADAQ23875 模块。这是一个完整的高速转换系统，包括一个FDA、^一阶低通滤波器、SAR-ADC和一个去耦电容阵列，用于放大激励信号和提供适当的驱动信号，以及二次信号的过滤和反馈。ADAQ23875 数据采集系统模块是一款高度集成的模块，为高速数据采集、硬件在环 (HiL) 和功率分析仪提供了完整的 FDA 至 SAR-ADC 解决方案，使设计摆脱了模拟“黑魔法”的束缚。