AN-1204: 使用差分放大器ADL5562驱动高IF交流耦合应用中的宽带宽ADC
电路功能与优势
本电路采用高性能、差分、低噪声、超低失真、高输出线性度、引脚可搭接增益放大器 ADL5562和高速ADC，可提供高性能、高频采样。ADL5562针对驱动高频IF采样ADC进行了优化。与 AD9445, AD9246或AD6655等高速ADC配合使用时，在100 MSPS以上、最大增益条件下，它可提供出色的SFDR(无杂散动态范围)性能。
电路描述
该电路采用高输出线性度放大器ADL5562，能够为AD9445等高速ADC提供可变增益、隔离和源阻抗匹配。利用该电路，当ADL5562的增益为6 dB(最小增益)时，在输入信号为140 MHz、采样速率为125 MSPS的条件下，SFDR性能可达到84 dBc，如图2所示。
ADL5562应采用差分驱动以实现最佳性能，由宽带1:1传输线巴伦(或阻抗变压器)驱动，后接与ADL5562输入阻抗并联的两个34.8 Ω电阻。这样可实现与50 Ω源的宽带匹配，如图1所示。请注意，ADL5562具有针对各种增益设置的不同输入阻抗(针对6 dB、12 dB和15.5 dB的增益设置，分别提供400 Ω、200 Ω和133 Ω阻抗)。34.8 Ω电阻为12 dB的增益提供最佳匹配，这种匹配足够好，能够针对6 dB或15.5 dB的增益使用相同值。图1所示的ADL5562连接对应于6 dB的增益。ADL5562的输出采用交流耦合，以消除共模直流负载，并使得该放大器能够偏置到内部产生的供电电压中间值。33 Ω串联电阻有助于改善ADL5562与模数采样保持输入电路所有开关电流之间的隔离。
图1. 采用ADL5562和AD9445的宽带ADC接口示例(原理示意图：未显示去耦和所有连接)
使用ADL5562时，有多种配置方式可供设计人员选择。图1显示了一个简化的宽带接口，其中ADL5562驱动AD9445。AD9445为14位、105 MSPS/125 MSPS模数转换器，具有缓冲宽带输入，由此产生2 kΩ||3 pF差分负载阻抗，要求具有2 V p-p差分输入摆幅才能达到满量程。本电路可为AD9445提供可变增益、隔离和源阻抗匹配。利用该电路，当ADL5562的增益为6 dB时，可获得图3所示的宽带系统性能，其3 dB带宽约为700 MHz。在预失真接收器设计和仪器仪表等宽带应用中，宽带频率响应也是一个优势。但是，若针对较宽的模拟输入频率范围进行设计，由于高频噪声会混叠至第一奈奎斯特频率区域，因此级联SNR(信噪比)性能会有所下降。
图2. 图1所示电路在140 MHz输入信号、125 MSPS 采样速率时测得的单音性能
图3. 图1所示宽带电路的频率响应测量结果
常见变化
图4提供了另一种窄带方法。通过在ADL5562与目标ADC之间设计一个窄带通抗混叠滤波器，目标奈奎斯特频率区域外的ADL5562输出噪声得以衰减，有助于保持ADC的可用SNR性能。
一般而言，若用一个恰当阶数的抗混叠滤波器时，SNR性能会提高数个dB。本例采用一个低损耗1:1输入变压器，使ADL5562的平衡输入与50 Ω非平衡源相匹配，从而使输入端的插入损耗最小。
图4所示窄带电路针对驱动ADI公司一些颇受欢迎的无缓冲输入ADC进行了优化，如AD9246、AD9640和AD6655等。
表2列出了针对常用的IF采样中心频率，相关抗混叠滤波器元件的推荐值。电感L5与片内ADC输入电容及C4所提供电容的一部分并联，构成一个谐振电路。该谐振电路有助于确保ADC输入在目标中心频率条件下像个真实的电阻。此外，在直流时电感L5会使ADC输入短路，从而将一个零点引入传递函数。1 nF交流耦合电容会将更多零点引入传递函数。最终的整体频率响应呈现出带通特性，有助于抑制目标奈奎斯特频率区域外的噪声。表2提供了一些初步建议值供原型设计使用。可能还需要考虑一些经验优化方法，帮助补偿实际的PCB寄生效应。关于级间滤波器设计的详细信息，请参考应用笔记AN-827——“放大器与开关电容ADC接口的匹配方法”和AN-742——“开关电容ADC的频域响应”。
图4：无缓冲开关电容ADC输入的窄带IF采样解决方案(原理示意图：未显示去耦和所有连接)
图1中的电路要求1%电阻以实现两个34.8 Ω的电阻值(1/10瓦特)。其它电阻的精度可以为10%(1/10瓦)。电容应为10%陶瓷芯片。图4中的电路要求1%电阻以实现两个105 Ω的电阻值(1/10瓦特)。其它电阻、电容和电感的精度可以为10%。推荐使用Coilcra 0603CS或类似的电感。
为了使本文所讨论的电路达到理想的性能，必须采用出色的布线、接地和去耦技术。至少应采用四层PCB：一层为接地层，一层为电源层，另两层为信号层。
| 中心频率 | 1 dB带宽 | L1 | C2 | L3 | C4 | L5 |
| 96 MHz | 28 MHz | 3.3 nH | 47 pF | 27 nH | 75 pF | 100 nH |
| 140 MHz | 33 MHz | 3.3 nH | 47 pF | 27 nH | 33 pF | 120 nH |
| 170 MHz | 33 MHz | 3.3 nH | 56 pF | 27 nH | 22 pF | 110 nH |
| 211 MHz | 30 MHz | 3.3 nH | 47 pF | 27 nH | 18 pF | 56 nH |
所有IC电源引脚都必须采用0.01 μF至0.1 μF(为简易起见，未在图中显示)的低阻抗多层陶瓷电容(MLCC)，去耦至接地层。并应遵循各数据手册的相关建议。
有关布线方式和关键器件定位的建议，请参考产品评估板，可以通过器件的产品主页查询评估板。
即使ADL5562和AD9445(或其它ADC)采用不同电源供电，因为ADC的输入信号为交流耦合信号，所以时序控制也不是问题。
关于AVDD和DVDD电源的正确时序(如果使用独立的电源)，应参考相应的ADC数据手册。
可以用高IP3、低噪声系数 AD8375可变增益放大器(VGA) 来代替低失真差分放大器ADL5562。AD8375是一款数字控 制、可变增益、宽带宽放大器，可以在较宽的24 dB增益范 围内提供精密增益控制，分辨率为1 dB。AD8376 是 AD8375 的双通道版本。(参见 CN-0002)。
另一款替代差分放大器是 AD8352 (参见 CN-0046)。
了解详情
Kester, Walt. 2006. High Speed System Applications, Chapter 2 (Optimizing Data Converter Interfaces). Analog Devices.
MT-073 Tutorial, High Speed Variable Gain Amplifiers (VGAs). Analog Devices.
MT-075 Tutorial, Differential Drivers for High Speed ADCs Overview. Analog Devices.