數據采集和通用測試和測量設備中使用的精密信號鏈必須適應各種輸入電平。信號鏈可能需要提供高輸入阻抗，同時支持增益和衰減，并調整共模電平，以確保信號落在ADC的適當輸入范圍內。圖1中的原理圖顯示了兩級信號調理，可將差分雙極性±10 V信號縮放和電平轉換為全差分±4.096 V信號，共模電平為ADC所需的2.048 V共模電平。設計目標是在不降低ADC噪聲和失真性能的同時實現這種調理。ADC 驅動器通常 電源電壓需要超過ADC的輸入范圍，以允許輸入和輸出擺幅電壓裕量。驅動器通常必須調整和轉換第一級輸出電壓，以匹配ADC的輸入電壓范圍（或者例如，將真正的雙極性差分信號更改為從地擺幅至V的差分信號）裁判).

圖1中的原理圖由LTspice創建，LTspice是一款高性能SPICE III仿真器、原理圖捕獲和波形查看器，具有增強功能和模型，可簡化開關穩壓器、線性和信號鏈電路的仿真。

圖1.雙極性輸入、全差分輸出ADC驅動器的LTspice原理圖

主要設計規格

對于±10 V的真雙極性輸入信號范圍，表1列出了關鍵設計規格。對于差分±10 V峰值正弦波，該電路輸出±4.096 V差分輸出信號。

設計說明

該電路是一種ADC驅動器電路，具有非常高的輸入阻抗，可以定制以驅動寬范圍的輸入電壓，包括單端和差分。該電路的輸出信號能夠以小于30 ns的采集時間驅動ADC。該電路在保持最佳噪聲和失真性能的同時實現了這一目標。圖1中的電路由作為輸入級的LTC6373可編程增益儀表放大器和全差分放大器ADA4945-1組成。 作為第二級ADC驅動器，LTC2387-18是一款18位、15 MSPS ADC。此外，LTC100輸出和ADA6373-4945輸入之間有一個1 kHz濾波器以降低噪聲，ADA4945-1輸出和LTC2387-18輸入之間有一個毛刺抑制/降噪濾波器。LTC6373配置為差分至差分放大器，增益為0.5，輸出共模電壓為2.048 V。ADA4945-1配置為衰減差分至差分驅動器，增益為0.8。ADA4945-1的輸出共模電壓為2.048 V，與LTC2387-18輸入范圍兼容。LTC2387-18在每個輸入端的輸入信號范圍為0 V至4.096 V，從而產生 使用內部4.096 V基準電壓源時，差分輸入信號范圍為±4.096 V。

設計提示

如果需要更大或更小的信號范圍，則 LTC6373 的增益和 R 的比值F/RG可以更改。例如，如果需要±100 mV信號范圍，則RF可以在保持 R 的同時增加G以其原始值。以下公式可用于重新計算 RF:

其中：

由于ADA4945-1的增益帶寬更大，因此建議增加其增益，而不是LTC6373。

由R5、C6、R6和C7組成的濾波器降低了ADA4945-1的帶寬。較低的帶寬導致 LTC2387-18 輸入端的噪聲較低。通過逐漸增加C6和C7的值進行實驗確定，直到SNR停止改善。

濾波器由電阻R7和R8以及電容C4和C5組成，有助于將ADA4945-1輸出與ADC輸入產生的采樣毛刺（如果未緩沖）隔離開來。它限制了提供給ADC輸入的信號的帶寬，并有助于降低ADC輸入端的噪聲。

如果驅動器和ADC之間的濾波器沒有時間建立，則結果是增益誤差。根據應用的不同，小的增益誤差可能是可以容忍的，但無法建立也會導致失真，這是必須避免的。精密ADC驅動器工具可用于檢查濾波器建立并估計電路SNR和THD性能。

設計程序

初始條件和假設

LTC6373的電源設置為±15 V，ADA4945-1的電源設置為+5 V/?1 V。給定20 V p-p（±10 V）的輸入范圍和8.192 V p-p（進入ADC）的輸出范圍，模擬前端（AFE）上的總增益分布如下：

允許一些裕量來適應元件容差和共模的小變化，總增益目標設置為0.4 V/V。LTC6373 支持固定的增益值選擇：{0.25， 0.5， 1， 2， ...， 16}。選擇兩級的增益<1允許ADA4945-1使用較小的電源范圍，并降低每級的噪聲增益。將LTC6373的增益設置為0.5會導致ADA0-8的增益為4945.1。

LTC6373和ADA4945-1的共模均設置為2.048 V。

圖2.ADA4945-1的電路定義

對于ADC （LTC2387-18），使用V將滿標度輸入設置為±4.096 V裁判= 4.096 V 和 ±V司 司長= ±4.096 V.

設置驅動放大器 （ADA4945-1） VOCM.

在OCM偏置至4.096 V/2 = 2.048 V。 根據數據手冊的輸出共模要求進行檢查。

對于此應用程序，

其中 VOCM在允許的范圍內。VOCM由 V 提供OCMLTC2387-18 的引腳。

設置輸入放大器 （LTC6373） 輸入和輸出限值。

由于增益設置為0.5，因此輸出擺幅為

輸出擺幅為

對于反向信號極性，±D 的值在簡單反轉（0.452 V，?4.548 V）。

圖3顯示了 LTC6373，增益為 0.5。看著 VS= ±15 V曲線，可以看出，當輸入共模電壓為2.048 V且輸出差分電壓擺幅在±4.548 V之間時，LTC6373很容易支持此應用。但是，如果使用±5 V電源，則LTC6373可能會在其差分輸出電壓范圍之外工作。所有LTC6373增益的共模范圍與差分輸出電壓曲線在數據手冊中提供了。

五世OCM的 LTC6373 也使用 V 設置為 2.048 VOCMLTC2387-18 的引腳，以消除產生另一個偏置點的麻煩。

按如下方式設置放大器增益：

對于此應用程序，

為獲得最佳噪聲，ADA4945-1數據手冊建議R采用499 ΩF和 RG在單位增益設置中。在本例中，RG是 縮放至402 Ω以獲得所需的增益。RG由 49.9 Ω 和 453 Ω電阻組成。如果THD比SNR更重要，則可以使用2 kΩ用于RGR為1.62 kΩFTHD 可能提高 3dB，但 SNR 為 4 dB。

設置驅動放大器（ADA4945-1）輸出擺幅。

由于驅動器放大器的差分輸出擺幅約為VOCM，因此當觀察+VFS時，運算放大器輸出為?VFS的反向電壓。VREF （4.096 V）用于該范圍，即使實際最大范圍受電路增益限制為4 V。對于此應用，ADA4945-1輸出必須能夠在0.0 V至4.096 V范圍內擺幅。

對于 VOUTdm=+VFS,

根據數據手冊中電源軌的要求檢查驅動器放大器（ADA4945-1）輸出電壓擺幅。

根據ADA4945-1數據手冊，在1 kΩ負載下，

對于此應用程序，

設置驅動放大器（ADA4945-1）輸入擺幅。

對于 VOUTdm= +V司 司長，計算輸入共模電壓如下：

對于 VOUTdm= ?VFS，計算輸入共模電壓如下：

對于此應用，ADA4945-1輸入必須能夠在2.02 V至2.07 V范圍內擺幅。

檢查驅動放大器（ADA4945-1）輸入共模。

根據ADA4945-1數據手冊，

滿足數據手冊要求。

對于此應用程序，

滿足申請要求。

設計模擬

精密ADC驅動器工具提供了一個專門的仿真環境，工程師可以在其中快速確定驅動放大器和R-C濾波器選擇對ADC信號鏈整體性能的影響。

使用圖4所示的精密ADC驅動器工具，可以估算建立時間、噪聲和THD性能。精準 ADC 驅動器工具目前不允許將 LTC6373 添加到原理圖中。因此，僅仿真驅動LTC4945-1的ADA2387-18性能。驅動器工具建議最小電源電壓為+4.6 V和?0.5 V。驅動程序工具警告所選驅動程序會顯著降低整體噪音性能。RF和 RG是駕駛員噪音的最大貢獻者。驅動器工具不允許在 R 上添加電容器F如所示應用程序所示。電容器可降低驅動器噪聲。設計目標與仿真結果的匯總如表2所示。

圖4.精密ADC驅動器工具：噪聲和THD結果

測量結果

測得的ADC SNR性能比ADA0-4數據手冊典型規格?4945.1 dB低95.7 dB，THD性能比數據手冊典型規格?3 dB低8.117 dB，如圖5所示。

圖5.圖1所示電路的實測性能

設計目標與仿真結果的總結如表3所示。通過提高ADA3-4945 R，THD性能最多可提高1 dBG至 2 kΩ 和 RF至 1.62 kΩ。根據ADC驅動器工具，這種增加會導致SNR性能下降4 dB。由用戶決定THD或SNR性能是否更重要。所有數據均以14 MSPS數據速率傳輸。在15 MSPS時，由于ADC采集周期小，THD會顯著降低。

如圖6所示，當輸入頻率高于100 kHz時，THD超過?15 dB。當輸入頻率高于90 kHz時，SNR低于90 dB。該數據是在25°C下拍攝的。 在較低或較高的溫度下，性能可能會更早開始下降。電路處理的變化也可能導致不同的電壓，性能開始下降。

圖6.信噪比和總諧波失真與輸入頻率的關系

設計設備

圖3.輸入共模范圍與差分輸出電壓的關系

審核編輯：郭婷