AN-1529: 利用AD9215高频VGA将10位65 MSPS ADC的动态范围扩展至100 dB以上

电路功能与优势

图1所示电路采用超低噪声、宽带可变增益放大器(VGA) AD8331作为驱动器，扩展10位模数转换器(ADC) AD9215的动态范围。AD8331的增益范围为48 dB，且与控制电压呈线性dB关系。VGA和ADC组合的整体动态范围大于100 dB。

图1. AD8331 VGA与AD9215 ADC互连（原理示意图，未显示所有连接）

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，VGA可以发挥重要作用。例如，具有2 V p-p输入范围的10位转换器的LSB大小为2 ÷ 1024，即稍低于2 mV。

此输入信号的动态范围约为60 dB。ADC之前可以使用一个宽带VGA来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。这种应用的一个例子是超声波接收器，它使用中频(IF)放大器来处理从几微伏到几伏的输入信号范围。对于直流或低频模拟信号，分辨率高达24位的Σ-Δ ADC经济实惠且供应充足，但这些ADC的采样频率通常仅限于几百千赫兹。

随着采样频率的提高，ADC分辨率会降低。这种权衡使得采用标准ADC对高频率、低幅度信号进行精准数字化很困难。

VGA是解决此问题的一种便捷方案。AD8331单通道、AD8332双通道和AD8334四通道VGA具有超低噪声和线性dB特性，并针对超声系统进行了优化。这些VGA可用作低噪声可变增益元件，频率最高为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AD8331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。工厂调整确保器件间及通道间增益匹配特性出色。

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。在该电路所用的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电阻电容(RC)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1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。AD8331 VGA仅需5 V单电源供电。ADC的低噪声3 V电源可由与5 V电源相连的低压差(LDO)稳压器提供，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 p-p至约4.5 V p-p。AD9215的输入范围可设置在1 V p-p差分与2 V p-p差分之间。对于该电路，ADC输入范围设置为2 V p-p差分。

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，它们在输出端提供大小相等但极性相反的信号（以共模电压为基准）。关于此功能的更多信息，请参考AD8331数据手册。AD8331的VCM引脚用作共模电压输入和输出。作为输出时，VCM电路可以在VCM引脚上进行直流耦合，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。如果保持悬空，VCM电压将为电源电压的一半，这对于交流耦合应用是理想值。

RCLMP引脚将输出摆幅箝位在ADC差分输入的限制内，避免出现可能会严重影响转换器的过驱问题。一个简单电阻控制箝位幅度（有关完整详情，请参考AD8331数据手册）。如果RCLMP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 p-p。

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 p-p，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ADC满量程输入电压的大约一半。VGA和ADC之间的高通与低通滤波组合可衰减50 kHz以下的低频噪声（33 Ω和100 nF产生48 kHz的低频截止频率）和 100 MHz以上的频率（42 pF和33 Ω产生114 MHz的高频截止频率）。

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引脚上的杂散印刷电路板(PCB)走线电容超过约25 pF，则可能需要输出去耦网络；该网络由一个100 Ω固定电阻与一个铁氧体磁珠（其与每个AD8331输出串联）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。