CN0096: 高频AD8331 VGA与10位、65 MSPS/80 MSPS/105 MSPS ADC AD9215的接口

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概览

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优势和特点
  • 将10位65MSPS ADC的动态范围扩展至高于100dB
  • 针对高速度进行优化
  • 针对超声波接收器应用进行设计
此电路中所用产品
    应用: 
  • 成像
  • 通信
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设计和集成文件
  • 原理图
  • 物料清单
  • Gerber 文件
  • PADS 文件
  • 装配图
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电路功能与优势

在将具有宽动态范围的模拟信号转换为数字格式,而ADC分辨率不足以捕捉全部有用信息时,可变增益放大器(VGA)可以发挥重要作用。例如,具有2 V峰峰值输入范围的10位转换器的LSB大小为2 ÷ 1024,即稍低于2 mV。VGA放大幅度小于最低分辨率的输入信号,并衰减大信号,以免ADC饱和。信号强度在数微伏至数伏范围内的超声接收机,以及几乎所有接收机都会用到的中频(IF)放大器,就是这类应用的例子。对于直流或低频模拟信号,分辨率最高达24位的Σ-Δ型ADC经济实惠、款式多样,但采样频率通常限制在数百kHz。现有的先进ADC的分辨率会随着采样频率的提高而降低,这使得利用标准ADC对高频、低振幅信号进行精确数字化处理极其困难。可变增益放大器可以方便地解决这一问题,图1所示为VGA驱动ADC的典型应用。

图1:AD8331 VGA与AD9215 ADC互连(原理示意图,所有连接/去耦均未显示)

AD8331/AD8332/AD8334分别是单通道/双通道/四通道、超低噪声、线性dB可变增益放大器(VGA),针对超声系统进行了优化,可以用作低噪声可变增益元件,工作频率最高达120 MHz。

各通道内置一个超低噪声前置放大器(LNA)、一个48 dB增益范围的X-AMP® VGA以及一个具有可调输出限制功能的可选增益后置放大器。LNA增益为19 dB,具有单端输入和差分输出。LNA输入阻抗可以利用一个电阻来调节,以便与信号源相匹配,且不影响噪声性能。

VGA的48 dB增益范围使这些器件适合各种不同的应用。带宽在整个增益范围内可保持出色的一致性。对于40 mV至1 V范围内的控制电压,增益控制接口可提供精确的50 dB/V线性dB调整。通过工厂调整可确保器件间及通道间具有出色的增益匹配特性。

电路描述

VGA和现代ADC的功能已远远超越早期ADC设计所用的传统运算放大器。在本例所用的VGA中,增益由外部控制。针对10位或12位转换器映射的增益值可通过引脚选择,低噪声级的阻抗则可通过一个串联R-C网络调整,以获得各种不同的阻抗值。借助简单的引脚搭接便可使用高速转换器产品。

图1所示电路展现了典型VGA与ADC的互连情况。对于本例,AD8331 VGA与AD9215 ADC在频率范围和差分接口匹配方面兼容。为简明起见,图中未显示电源去耦。

AD8331内置一个低噪声前置放大器,后接一个差分衰减器和增益级。此VGA仅需5 V单电源供电。ADC的低噪声3 V电源可由与5 V电源相连的LDO提供,例如ADP3339。该VGA的差分输出用于驱动具有差分输入的ADC,其输入范围为1 V峰峰值至约4.5 V峰峰值。AD9215的输入范围可以设置在1 V峰峰值差分与2 V峰峰值差分之间。对于本电路,ADC输入范围设置为2 V峰峰值差分。

与大多数单电源器件一样,AD8331需要一个电压为供电电压中间值的内部基准电压源,用于一对镜像放大器,它可在输出端(折合到共模电压CMV)提供相等但极性相反的信号。关于此功能的更多信息,请参考AD8331数据手册 。VGA的引脚11 (VCM)既可以作为输入,也可以作为输出。作为输出时,VCM电路可以在引脚11上进行去耦,或者可以通过一个电压源驱动该引脚,以修改共模电压的值,从而适应具有不同输入范围的各种ADC。如果保持浮地,VCM电压将为电源电压的一半,这对于交流耦合应用是最佳值。

引脚12 (CLMP)将输出摆幅箝位在ADC差分输入的限制内,从而避免出现可能会严重影响转换器的过驱问题。利用一个简单的电阻控制箝位幅度。如果CLMP引脚上没有任何连接,则箝位电压为以2.5 V共模电压为中心的差分4.5V峰峰值。

测试波形选择1 MHz正弦波,利用 ADC Analyzer™软件恢复的波形如图2所示。采样频率为65 MSPS,对应于AD9215的65 MSPS版本。LNA输入信号为70 mV峰峰值,经过外部低通和高通滤波器处理,可滤除信号发生器的杂散。VGA增益为29 dB,可将信号放大到大约ADC满量程输入电压的一半。VGA与ADC之间的高通和低通滤波组合可衰减50 kHz以下的低频噪声(33 Ω和100 nF可产生48 kHz的低频截止频率),以及100 MHz以上的频率(42 pF和33 Ω可产生114 MHz的高频截止频率)。

图2:重建的满量程2 V峰峰值1 MHz正弦波,采样速率为65 MSPS

通过减小LNA输入端以及LNA与VGA输入端之间的串联电容值,可以进一步实现高通滤波。

如果VOH和VOL上的PCB走线杂散电容约超过25 pF,则可能需要一个输出去耦网络,它由100 Ω固定电阻与AD8331各输出端串联插入的一个铁氧体磁珠并联组成。否则,便不需要这一网络。

大部分现代ADC都可以通过引脚接入内部基准电压源。AD9215的内部基准电压为1 V,外部电阻使共模输入电压偏置3 V电源电压的一半。

数据捕捉板与笔记本电脑接口。ADC Analyzer软件可启动转换器,并提供波形或FFT显示。关于AD9215配置的详细信息,请参考AD9215数据手册

图3是该测试设置的简化框图。评估板上装有一个20引脚、双排接头,它与转换器接口板上的连接器一半相结合。评估板由标准笔记本电脑上运行的ADC Analyzer软件进行控制。

图3:测试配置框图

本电路必须构建在具有较大面积接地层的多层电路板上。为实现最佳性能,必须采用适当的布局、接地和去耦技术(请参考 教程MT-031——“实现数据转换器的接地并解开AGND和DGND的谜团”,以及 教程MT-101 ——“去耦技术”)。

常见变化

其它单通道、10位ADC包括AD9214(适合较低输入频率)或AD9411(适合较高采样速度应用)。

此电路中所用产品:

产品 描述 可提供样片的产品型号
AD8331 内置超低噪声前置放大器和可编程输入阻抗(RIN)的单通道VGA

欲获取样片,请 联系ADI公司

AD9214 10位、65/80/105 MSPS、+3.3V ADC

欲获取样片,请 联系ADI公司

AD9215 10位、65/80/105 MSPS、3 V ADC

欲获取样片,请 联系ADI公司

沪ICP备09046653号
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