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

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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）。