简单的ADC驱动器电路详解
随着模数转换器 （ADC）的分辨率和采样率持续上升，其模拟输入的驱动电路（而不是模数转换器本身）日益成为决定整个电路精度的限制因素。首先，驱动电路必须能够缓冲输入信号并提供增益。此外，还必须能够进行电平转换或将单端信号转换为全差分信号，以满足ADC 的输入电压范围和共模要求。所有这些都必须在不给原始信号增加失真的情况下完成。
本“设计要点”介绍一种简单的 ADC 驱动器电路，它将 ±10V 单端输入信号转换为全差分信号，能够以仅 2ppm 的综合线性度误差驱动LTC2377-20 20 位 SAR ADC。此外，还分析了可提供更高输入阻抗和更低总体电源电流的选项。
电路说明
图 1 中的电路可以将 ±10V 单端信号转换为LTC2377-20 （U1） 所需的 ±5V 全差分信号。LTC2377-20 是一款 20 位、500ksps 的低功耗SAR ADC，具有 ±0.5ppm 典型积分非线性（INL）。AIN 的电压被 U4 缓冲，其随后驱动 U5 电阻串，充当精密分压器。U3 以 –1/2 增益运行，并驱动 U5 电阻串的中心，以将 ADC 共模电压保持在 VREF/2。
U3 和 U4 是LT1468A低失调高线性运算放大器。U5 是 LT5400A 四通道匹配电阻网络，其保证最高失配为 0.01%。U5 中的匹配电阻值非常重要，因为任何失配都会导致电路出现失调和满量程误差。出于此原因，以及其极低的电压系数， 所以请不要使用分立电阻器来代替LT5400A。R4 为 U3 的输出提供 1/4 标度移位。R1 和 R2 构成分压器，这给 U3 的同相输入端施加了 VREF/2 的偏置电压。
R5 和 R6 将反相放大器 U3 的增益设置为 –0.5。C10、C12 和 U5 电阻器组合形成 ADC 输入端的 1.4MHz 滤波器。此外，U5 的引脚 1 和引脚 8 之间的电阻器有助于将 U4 输出与 ADC 从保持模式进入采样模式时会出现的电荷高峰隔离开来。由于 LTC6655A-5 （U2） 能够快速从转换期间 REF 引脚上发生的瞬变中稳定下来，且本身的噪声很低，因而被选作该电路的基准。
电路性能
该电路的典型交流性能包括 –123.5dB 的 THD 和 102.7dBFS 的 SNR、500ksps 采样速率，以及 100Hz 输入信号。您可以在图 2 的 FFT 中查看此性能。THD 和 SNR 的性能接近于 LTC2377-20 数据手册中的典型值，表明在使用此驱动器时性能下降很小。
图 2. 组合电路 FFT
如图 3 所示，在采样速率为 500ksps 的情况下，组合电路在整个 ±10V 输入信号范围内的典型线性性能为 +2ppm、–1.3ppm。线性度受 ADC 的 INL 和运算放大器 U4 的 CMRR 的限制。
图 3. 线性度与输入电压的关系
ADC 输入端的合并失调，包括源自 U4、U5 和 U1 的失调，测量值为 +50μV。U3 的失调对该驱动器的失调没有任何影响。对 ADC 输入失调进行最坏情况分析通过加入 U1、U4 和 U5 的最大失调进行计算：
VOS（MAX） = BZE（Max）U1 + VOS（MAX）U4/2 + （VREF/2 – VREF/（2 + ΔR/R（Max）U5））
VOS（MAX） = 13ppm • 10μV/ppm + 75μV/2 + （5/2 – 5/（2.0001）） • 1E6μV
VOS（MAX） = 292μV = 29.2ppm
LT1468A 的最大输入偏置电流为 ±40nA。对于需要更高输入阻抗的应用，可以使用 LT1122A 替换 U4。LT1122A是一种快速稳定的 JFET 输入运算放大器，最大输入偏置电流为 75pA。在此电路中使用 LT1122A 之后，INL 为 +6ppm、–1.1ppm，具体请参见表 1 中的运算放大器性能比较数据。
表 1. 运算放大器性能比较
LTC2377-20 ADC 在采样率为 500ksps（全速率）时，典型电源电流为 4.2mA。LTC2377?20 在一次转换操作后自动断电，直到下一次转换操作开始时才再次上电。这种自动关断功能可以降低 ADC 的功耗，对于采样率极低的应用采样率可低至 1μA。
对于电源电流非常重要的低采样率应用，LT1468A 最高 5.2mA 的电源电流可能过高。对于这些应用，可以使用 ±15V 时最大电源电流 500μA 的 LT1012A 皮安输入电流、微伏失调、低噪声运算放大器来代替 LT1468A。使用LT1012A 采样率最高达 125ksps时，线性度可以达到 +0.9ppm、–0.5ppm，具体请见表 1 中的运算放大器性能比较数据。采样率高于 125ksps 时，INL 性能开始下降，这是因为运算放大器不能足够快速地稳定下来，并准确驱动 ADC。
此处所示的 ADC 驱动器电路可以将 ±10V 单端信号转换成用于 LTC2377-20 500ksps SAR ADC 的 ±5V 全差分信号。组合电路性能达到 50μV 失调、2ppm INL、102.7dBFS SNR，以及 123.5dB THD。该驱动器主要由两个 LT1468A 运算放大器和一个 LT5400A 匹配电阻阵列组成。此电路的其他版本使用 LT1122A 运算放大器来提供 75pA 的最大输入电流，或者在采样率降低时，使用 LT1012A 运算放大器来降低电源电流。Linear Technology 可提供该电路的演示板 DC2135。
