用于 LTC2377-20 的 DC 精密驱动器可实现 2ppm 线性度

引言

随着 模数转换器 (ADC)的分辨率和采样率持续上升,其模拟输入的驱动电路(而不是模数转换器本身)日益成为决定整个电路精度的限制因素。首先,驱动电路必须能够缓冲输入信号并提供增益。此外,还必须能够进行电平转换或将单端信号转换为全差分信号,以满足ADC 的输入电压范围和共模要求。所有这些都必须在不给原始信号增加失真的情况下完成。

本"设计要点"介绍一种简单的 ADC 驱动器电路,它将 ±10V 单端输入信号转换为全差分信号,能够以仅 2ppm 的综合线性度误差驱动LTC2377-20 20 位 SAR ADC。此外,还分析了可提供更高输入阻抗和更低总体电源电流的选项。

电路说明

图 1 中的电路可以将 ±10V 单端信号转换为LTC2377-20 (U1) 所需的 ±5V 全差分信号。LTC2377-20 是一款 20 位、500ksps 的低功耗SAR ADC,具有 ±0.5ppm 典型积分非线性(INL)。AIN 的电压被 U4 缓冲,其随后驱动 U5 电阻串,充当精密分压器。U3 以 –1/2 增益运行,并驱动 U5 电阻串的中心,以将 ADC 共模电压保持在 VREF/2。

U3 和 U4 是LT1468A低失调高线性运算放大器。U5 是 LT5400A 四通道匹配电阻网络,其保证最高失配为 0.01%。U5 中的匹配电阻值非常重要,因为任何失配都会导致电路出现失调和满量程误差。出于此原因,以及其极低的电压系数, 所以请不要使用分立电阻器来代替LT5400A。R4 为 U3 的输出提供 1/4 标度移位。R1 和 R2 构成分压器,这给 U3 的同相输入端施加了 VREF/2 的偏置电压。

R5 和 R6 将反相放大器 U3 的增益设置为 –0.5。C10、C12 和 U5 电阻器组合形成 ADC 输入端的 1.4MHz 滤波器。此外,U5 的引脚 1 和引脚 8 之间的电阻器有助于将 U4 输出与 ADC 从保持模式进入采样模式时会出现的电荷高峰隔离开来。由于 LTC6655A-5 (U2) 能够快速从转换期间 REF 引脚上发生的瞬变中稳定下来,且本身的噪声很低,因而被选作该电路的基准。

电路性能

该电路的典型交流性能包括 –123.5dB 的 THD 和 102.7dBFS 的 SNR、500ksps 采样速率,以及 100Hz 输入信号。您可以在图 2 的 FFT 中查看此性能。THD 和 SNR 的性能接近于 LTC2377-20 数据手册中的典型值,表明在使用此驱动器时性能下降很小。

图 2. 组合电路 FFT

如图 3 所示,在采样速率为 500ksps 的情况下,组合电路在整个 ±10V 输入信号范围内的典型线性性能为 +2ppm、–1.3ppm。线性度受 ADC 的 INL 和运算放大器 U4 的 CMRR 的限制。

图 3. 线性度与输入电压的关系

ADC 输入端的合并失调,包括源自 U4、U5 和 U1 的失调,测量值为 +50μV。U3 的失调对该驱动器的失调没有任何影响。对 ADC 输入失调进行最坏情况分析通过加入 U1、U4 和 U5 的最大失调进行计算:

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 的最大输入偏置电流为 ±40nA。对于需要更高输入阻抗的应用,可以使用 LT1122A 替换 U4。LT1122A是一种快速稳定的 JFET 输入运算放大器,最大输入偏置电流为 75pA。在此电路中使用 LT1122A 之后,INL 为 +6ppm、–1.1ppm,具体请参见表 1 中的运算放大器性能比较数据。

表 1. 运算放大器性能比较

LTC2377-20 ADC 在采样率为 500ksps(全速率)时,典型电源电流为 4.2mA。LTC2377‑20 在一次转换操作后自动断电,直到下一次转换操作开始时才再次上电。这种自动关断功能可以降低 ADC 的功耗,对于采样率极低的应用采样率可低至 1μA。

对于电源电流非常重要的低采样率应用,LT1468A 最高 5.2mA 的电源电流可能过高。对于这些应用,可以使用 ±15V 时最大电源电流 500μA 的 LT1012A 皮安输入电流、微伏失调、低噪声运算放大器来代替 LT1468A。使用LT1012A 采样率最高达 125ksps时,线性度可以达到 +0.9ppm、–0.5ppm,具体请见表 1 中的运算放大器性能比较数据。采样率高于 125ksps 时,INL 性能开始下降,这是因为运算放大器不能足够快速地稳定下来,并准确驱动 ADC。

结论

此处所示的 ADC 驱动器电路可以将 ±10V 单端信号转换成用于 LTC2377-20 500ksps SAR ADC 的 ±5V 全差分信号。组合电路性能达到 50μV 失调、2ppm INL、102.7dBFS SNR,以及 123.5dB THD。该驱动器主要由两个 LT1468A 运算放大器和一个 LT5400A 匹配电阻阵列组成。此电路的其他版本使用 LT1122A 运算放大器来提供 75pA 的最大输入电流,或者在采样率降低时,使用 LT1012A 运算放大器来降低电源电流。Linear Technology 可提供该电路的演示板 DC2135。

作者

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Guy Hoover

Guy Hoover是一名拥有超过30年凌力尔特公司工作经验的工程师,曾担任技术员、IC设计工程师和应用工程师。

T他的职业生涯始于LTC,当时的职位是技术员,并向参与多个产品工作的Bob Dobkin、Bob Widlar、Carl Nelson和Tom Redfern学习,涉及产品包括运算放大器、比较器、开关稳压器和ADC。在此期间,他还花了大量时间来编写测试程序以对这些器件的特性进行表征。

他在LTC的下一段职业生涯是学习PSpice和设计SAR ADC。由Guy设计的产品包括LTC1197系列10位ADC和LTC1864系列12位和16位ADC。

Guy目前是混合信号部的应用工程师,专门从事SAR ADC应用支持工作。这包括为SAR ADC演示板设计、编写Verilog代码和测试程序,帮助客户优化包含LTC SAR ADC的产品,并希望编写有用的应用文章,将有关使用这些器件的知识传递给客户。

Guy毕业于德锐技术学院(现为德锐大学),拥有电子工程技术硕士学位。