高速轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，尤其是電信領(lǐng)域的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，允許模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)輸入信號為AC耦合信號(通過利用變壓器、電容器或兩者的組合)。但對于測試和測量行業(yè)而言，前端設(shè)計并非如此簡單，這是因為除提供AC耦合能力之外，該應(yīng)用領(lǐng)域通常要求輸入信號與DC耦合。設(shè)計可提供良好脈沖響應(yīng)和低失真性能(≥500MHz的DC頻率)的有源前端充滿挑戰(zhàn)。本文就適用于高速數(shù)據(jù)采集的高性能ADC使用的模擬前端提供幾種設(shè)計思想和建議。

使用差分放大器是將高頻模擬信號與ADC的輸入相連的方法。因此，需要選擇的個器件就是差分輸出運(yùn)算放大器。選擇這類器件時，主要有兩個考慮因素：增益帶寬積和從外部電壓設(shè)置運(yùn)算放大器的共模輸出電壓的能力。這是因為驅(qū)動ADC輸入的信號放大器將共模輸出電壓(VCMO)設(shè)置在適合的ADC范圍內(nèi)是很重要的。如果不能滿足這些條件，ADC的性能會隨著放大器的VCMO和ADC的輸入共模電壓間不一致程度的增加而大幅降低。

寬帶差分運(yùn)算放大器的主要劣勢在于其增益通常都很有限，且其增益級別也許在內(nèi)部已經(jīng)預(yù)設(shè)。根據(jù)應(yīng)用的不同，可能需要為設(shè)計添加前置放大器，從而滿足必須的增益要求。

至于前置放大器應(yīng)該采用寬帶運(yùn)算放大器，以滿足ADC的預(yù)期輸入頻率。對于采樣速率高達(dá)1GSPS的系統(tǒng)而言，這等于要求過采樣系統(tǒng)具有高達(dá)500MHz的輸入帶寬。

對于與大增益(如A_V=10)一起工作并能保持這樣大的帶寬的運(yùn)算放大器而言，其等同于5GHz增益帶寬積(GBW)。由于該架構(gòu)固有的頻響和增益之間的直接折中，大多數(shù)的電壓反饋放大器都不能滿足該要求。然而，電流反饋放大器在這些參數(shù)中保持較好的關(guān)系，因為其性能通常由運(yùn)算放大器電路內(nèi)的反饋電阻值決定。運(yùn)算放大器LMH6703非常適于在增益設(shè)置為1～10的高帶寬下工作。該器件可與所選的差分放大器一起使用，從而在高帶寬系統(tǒng)(如示波器和數(shù)據(jù)采集卡)中提供額外的增益要求。

如果增益設(shè)置為10且?guī)挒?00MHz，則由得到300歐姆的推薦反饋電阻(RF1)。

因此RG1(增益電阻)可選為33歐姆。LMH6703和一個差分放大器一起使用的電路實例。

除了需要具有合適的DC信號通道的固定增益級別的系統(tǒng)，該應(yīng)用還需要一個AC耦合模式。這是因為DC信號通道通常受到輸入放大器所產(chǎn)生的增益帶寬的限制。對于數(shù)據(jù)采集器件或需要很寬的輸入帶寬和低失真的通信通道而言，我們需要采用AC信號通道。這可將輸入頻率上限擴(kuò)展到DC信號通道容量以外。

解決辦法有很多種，選擇哪種方法在很大程度上取決于的輸入頻率以及所需的高頻性能。對于高頻下(≥200MHz)的AC性能而言，平衡/非平衡變壓器為實現(xiàn)單端-差分轉(zhuǎn)換提供了解決方案，因為增加的信號失真很少。其折衷在于平衡/非平衡變壓器是有損耗器件，會小幅(-1~2dB)削弱信號，并且它們的低頻性能很差。通過使用單刀RF繼電器來將單端輸出信號從前置放大器切換到差分放大器或平衡/非平衡轉(zhuǎn)換電路中，可以將平衡/非平衡耦合信號通道插入所示的電路中。還需要另一個單刀雙擲RF繼電器來將平衡/非平衡變壓器和差分放大器的輸出轉(zhuǎn)發(fā)到ADC輸入中。

該電路很適于高端測試和測量設(shè)備。但是，對于成本敏感的應(yīng)用，RF信號繼電器的成本造成了系統(tǒng)預(yù)算的負(fù)擔(dān)，特別是在需要多個通道的情況下。因此低速系統(tǒng)選擇可用于AC耦合和DC耦合模式的差分輸出運(yùn)算放大器會很有利，從而去除了平衡/非平衡轉(zhuǎn)換電路。特別適合于該任務(wù)的放大器開始逐漸出現(xiàn)，并在逐漸提高帶寬和THD方面的性能。

對于8位1GSPS的轉(zhuǎn)換器而言，在500MHz下能夠提供-50dB THD值的、帶寬為1GHz的差分放大器是很適合的。利用可以極大縮短前端設(shè)計時間的現(xiàn)成的運(yùn)算放大器元件，可以從高速ADC獲取較好的動態(tài)性能。在頻率上限處，放大器引起的SINAD損耗不超過3~4dB。展示了198MHz輸入信號(由寬帶差分輸出放大器進(jìn)行緩沖，再由8位ADC以500MSPS的速率進(jìn)行采樣)的FFT。表明該放大器在該頻率下具有很低的2階和3階諧波失真，使得ADC采集到的信號的噪聲與失真數(shù)值，能與從專用AC耦合信號通道獲得的性能相當(dāng)。

本文小結(jié)

放大器的性能在不斷得到提升，以提高帶寬并降低THD。隨著ADC進(jìn)入GSPS范圍，我們就需要能夠與這些轉(zhuǎn)換器接口的放大器。通過消除電路通道不僅能夠降低系統(tǒng)成本，而且不會犧牲系統(tǒng)的性能，并允許設(shè)計者以較低的成本實現(xiàn)較高的性能，同時縮短了前端電路的設(shè)計時間。