隨著模數轉換器 （ADC）的分辨率和采樣率持續上升，其模擬輸入的驅動電路（而不是模數轉換器本身）日益成為決定整個電路精度的限制因素。首先，驅動電路必須能夠緩沖輸入信號并提供增益。此外，還必須能夠進行電平轉換或將單端信號轉換為全差分信號，以滿足ADC 的輸入電壓范圍和共模要求。所有這些都必須在不給原始信號增加失真的情況下完成。

 

本“設計要點”介紹一種簡單的 ADC 驅動器電路，它將 ±10V 單端輸入信號轉換為全差分信號，能夠以僅 2ppm 的綜合線性度誤差驅動LTC2377-20 20 位 SAR ADC。此外，還分析了可提供更高輸入阻抗和更低總體電源電流的選項。

 

電路說明

 

圖 1 中的電路可以將 ±10V 單端信號轉換為LTC2377-20 （U1） 所需的 ±5V 全差分信號。LTC2377-20 是一款 20 位、500ksps 的低功耗SAR ADC，具有 ±0.5ppm 典型積分非線性（INL）。AIN 的電壓被 U4 緩沖，其隨后驅動 U5 電阻串，充當精密分壓器。U3 以 –1/2 增益運行，并驅動 U5 電阻串的中心，以將 ADC 共模電壓保持在 VREF/2。

U3 和 U4 是LT1468A低失調高線性運算放大器。U5 是 LT5400A 四通道匹配電阻網絡，其保證最高失配為 0.01%。U5 中的匹配電阻值非常重要，因為任何失配都會導致電路出現失調和滿量程誤差。出于此原因，以及其極低的電壓系數， 所以請不要使用分立電阻器來代替LT5400A。R4 為 U3 的輸出提供 1/4 標度移位。R1 和 R2 構成分壓器，這給 U3 的同相輸入端施加了 VREF/2 的偏置電壓。

 

R5 和 R6 將反相放大器 U3 的增益設置為 –0.5。C10、C12 和 U5 電阻器組合形成 ADC 輸入端的 1.4MHz 濾波器。此外，U5 的引腳 1 和引腳 8 之間的電阻器有助于將 U4 輸出與 ADC 從保持模式進入采樣模式時會出現的電荷高峰隔離開來。由于 LTC6655A-5 （U2） 能夠快速從轉換期間 REF 引腳上發生的瞬變中穩定下來，且本身的噪聲很低，因而被選作該電路的基準。

 

電路性能

 

該電路的典型交流性能包括 –123.5dB 的 THD 和 102.7dBFS 的 SNR、500ksps 采樣速率，以及 100Hz 輸入信號。您可以在圖 2 的 FFT 中查看此性能。THD 和 SNR 的性能接近于 LTC2377-20 數據手冊中的典型值，表明在使用此驅動器時性能下降很小。

　　

圖 2. 組合電路 FFT

 

如圖 3 所示，在采樣速率為 500ksps 的情況下，組合電路在整個 ±10V 輸入信號范圍內的典型線性性能為 +2ppm、–1.3ppm。線性度受 ADC 的 INL 和運算放大器 U4 的 CMRR 的限制。

　　

圖 3. 線性度與輸入電壓的關系

 

ADC 輸入端的合并失調，包括源自 U4、U5 和 U1 的失調，測量值為 +50μV。U3 的失調對該驅動器的失調沒有任何影響。對 ADC 輸入失調進行最壞情況分析通過加入 U1、U4 和 U5 的最大失調進行計算：

 

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 的最大輸入偏置電流為 ±40nA。對于需要更高輸入阻抗的應用，可以使用 LT1122A 替換 U4。LT1122A是一種快速穩定的 JFET 輸入運算放大器，最大輸入偏置電流為 75pA。在此電路中使用 LT1122A 之后，INL 為 +6ppm、–1.1ppm，具體請參見表 1 中的運算放大器性能比較數據。

　　

表 1. 運算放大器性能比較

 

LTC2377-20 ADC 在采樣率為 500ksps（全速率）時，典型電源電流為 4.2mA。LTC2377?20 在一次轉換操作后自動斷電，直到下一次轉換操作開始時才再次上電。這種自動關斷功能可以降低 ADC 的功耗，對于采樣率極低的應用采樣率可低至 1μA。

 

對于電源電流非常重要的低采樣率應用，LT1468A 最高 5.2mA 的電源電流可能過高。對于這些應用，可以使用 ±15V 時最大電源電流 500μA 的 LT1012A 皮安輸入電流、微伏失調、低噪聲運算放大器來代替 LT1468A。使用LT1012A 采樣率最高達 125ksps時，線性度可以達到 +0.9ppm、–0.5ppm，具體請見表 1 中的運算放大器性能比較數據。采樣率高于 125ksps 時，INL 性能開始下降，這是因為運算放大器不能足夠快速地穩定下來，并準確驅動 ADC。

 

此處所示的 ADC 驅動器電路可以將 ±10V 單端信號轉換成用于 LTC2377-20 500ksps SAR ADC 的 ±5V 全差分信號。組合電路性能達到 50μV 失調、2ppm INL、102.7dBFS SNR，以及 123.5dB THD。該驅動器主要由兩個 LT1468A 運算放大器和一個 LT5400A 匹配電阻陣列組成。此電路的其他版本使用 LT1122A 運算放大器來提供 75pA 的最大輸入電流，或者在采樣率降低時，使用 LT1012A 運算放大器來降低電源電流。Linear Technology 可提供該電路的演示板 DC2135。