高速ADC输入信号接口的挑战与不同技术的需求

高速ADC输入信号接口的挑战与不同技术的需求

就有效输入驱动以维护信号完整性而言，已经有许多好的应用注释以及文章发表。本文将探讨有关输入驱动的新发展。

ADC 输入架构与驱动器的选择

ADC的模拟输入配置随着采样精度和最大采样频率的变化而有所不同。在输入阶段，影响输入驱动器选择的特征有：

1. 单端与差分

单端与差分

有缓冲与无缓冲

从单端到差分的转换

中点接线变压器

如前所述，驱动差分 ADC 的输入必须为差分形式。将单端输入转换为ADC 可用的差分信号需要使用一个中点接线变压器，如图1所示（在“差分输入”虚线下可看出变压器如何接到 ADC 输入）。

差分输入的共模电压（CM）应遵循 VCOM 电压（在 ADC 上的输出引脚），以便使 ADC 内部的采样保持电路正常工作。图1中的电路允许通过将变压器的中点接线连接到ADC的 VCOM 输出来对输入 CM 加以设定。

不平衡变压器

（Guanella变压器）

另一个进行单端到差分转换的方法是使用不平衡变压器，如图2所示。

与图1相比，这种方式具有下述优点及缺点：

优点：

1. 较高的工作频率

2. 对于宽带应用而言，有较高的回波损耗

3. 较佳的增益与相位平衡

缺点：

1. 无法设定共模电压

2. 无法提供电压增益

与图1的中点接线变压器或 Ruthroff 变压器相比，不平衡配置有着更高的工作频率。然而，采用不平衡配置后，因为无法设定共模电压水平，ADC 输入必须为 AC 耦合电压。以ADC08D1500为例，它是一个 8 位、1500MSPS 的转换器，如果在 AC耦合的模式下工作，就会通过内部电阻自动将其输入端偏置到适当的共模电压值。如果ADC的 VCMO 输出接地，就会以 AC 耦合模式运行。

采用图2的电路，J1终止于 50W 左右，并且假定所驱动的ADC具有100W的差分输入终端（如 ADC08D1500）。与 100W ADC输入阻抗并联的 RT2为 50W，这是从 J1 到接地的输入阻抗。此输入阻抗一直保持一定的频率，从而使不平衡变压器发挥变压器的作用。超过这个基于特殊不平衡变压器及其核心特征、线圈间电容，以及其它因数的频率范围，输入阻抗就会偏离这个值，并且输入反射会导致回波损耗减少。大部分不平衡变压器的产品手册都列出了几个频点的回波损耗与上限和下限工作频率。

图3显示了一个中点接线变压器 （TC4-14） 以及一个不平衡变压器 （TC1-1-13M） 的输入回波损耗，并进行了简单的比较。

由图3中可以看出，中点接线变压器的回波损耗在 700MHz 以下与 1.3GHz 以上时，下降得十分迅速，而不平衡变压器则具有一定的高出数 MHz 的回波损耗 （》 10dB），并且在频率到达约 2.6GHz 左右时才开始下降。这是不平衡变压器相对于中点接线变压器的优点。在较高频率减少的回波损耗会造成一种不匹配的状态，并且产生较高的反射能量，这会在采集信号中形成不想要的谐波，并且降低系统的 ENOB 性能。

回波损耗 （RL）与 二端口输入阻抗相关，如式1如示：

RL= 20 Log | （Zin+50）/ （Zin-50）| （1）

为了平衡非平衡功能，变压器的初级与次级总会保持1:1 的比例，因此，此配置不能提供任何电压增益。

有源单端到差分的转换

如前所述，变压器可以被用作转换器，然而它们在宽带的应用上有很大的缺点，并且在这些应用中，它们不会在其操作频率区域中包括 DC 和低频。基于这个原因，半导体制造商已经导入了有源器件来执行这项功能，以弥补变压器耦合结构的缺点。

LMH6555 的增益（在Vin+下的差分输出到单端或取决于所驱动输入的Vin+）确定在 4.8V/V，其配置如图4所示，其中，Rs1=Rs2=50W。对于输入信号在振幅上较大的情形，LMH6555 插入增益可以通过增加 Rs2和 Rs1的值来降低。这两个电阻应该总是相等，以保持对于低输出偏移的输入平衡。图5所示例子中，位于 50W电缆接收端的 LMH6555 的增益通过 Rx 和 Ry降低。通过选择组件值，LMH6555 电路（J1）的输入阻抗被保持在50W，以使阻抗匹配。两个 LMH6555具有 100W的到地等效阻抗，各个组成值都被显示，以用来维持低输出偏移电压。LMH6555的输入/输出摆幅关系如式2所示：

其中，RF= 430W，Rin_diff=78W，都是LMH6555 特定的值。

图5 设定LMH6555增益，同时保持与输入阻抗匹配

Rs是等效电阻，使 LMH6555 的输入接地（假定它们相等）。增加 Rs会降低增益。重新整理式2，允许使用者决定 Rs的值，可以确定对于一个给定 Vin （Vpp） 的全ADC的输入摆幅，如式3所示：

Rs=Vin （Vpp） * 268.8 - 39 （3）

在图5中，LMH6555的等效输入电阻通过 Rs被增加到100W（由式3计算得出），因此，0.52Vpp输入会导致ADC输入恰好为 0.8Vpp，而J1的等效输入则维持在 50W。

LMH6555将维持低噪声 （参照19nV/RtHz输出的平带），并与它输入的Rs无关。这是因为 LMH6555 的输入架构由等效输入噪声电压决定，并且独立于源电阻。

ADC要求差分输入的共模电压（在 +/-50mV内）非常接近它所产生的 VCMO 参考输出。这是采用1.9V供电电压的一个结果，因为损失的供电电压降低了ADC内部的电压余量。如果未能保持此共模操作，ADC的全失真性能将会迅速恶化。

结语

作为高速ADC接口信号的单端到差分转换，对于重要的数据采集任务，本文分析了输入信号接口的挑战，并探讨了不同的技术需求。

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