精密SAR模數轉換器的前端放大器和RC濾波器設計

RC帶寬對于確定放大器的最大容許噪聲量十分重要。放大器噪聲一般通過低頻1/f噪聲(0.1 Hz至10  Hz)和高頻時的寬帶噪聲譜密度(圖7所示噪聲曲線的平坦部分)來規定。

圖7. ADA4084-2電壓噪聲與頻率的關系

折合到ADC輸入端的總噪聲可以按照如下方法計算。首先，計算放大器寬帶頻譜密度在RC帶寬上的噪聲。

其中， en = 噪聲頻譜密度(V/√Hz), N = 放大器電路噪聲增益， BWRC = R帶寬(Hz)。.

然后，通常通過下式計算低頻1/f噪聲;它通常指定為峰峰值，需要轉換為均方根值。

其中，

= 1/f峰峰值噪聲電壓，N = 放大器電路噪聲增益。

總噪聲為以上兩個噪聲的和方根：

為將驅動器噪聲對總SNR的影響降至最低，此總噪聲應為ADC噪聲的1⁄10左右。根據目標系統的SNR要求，可能還允許更高的噪聲。例如，如果ADC的SNR為91  dB， VREF= 5 V，則總噪聲應小于或等于

由此值很容易算出1/f噪聲和寬帶噪聲譜密度的最大允許值。假設擬用的放大器具有可忽略不計的1/f噪聲，以單位增益工作，并采用RC帶寬為上例計算值(3.11  MHz)的濾波器，那么

因此，該放大器的寬帶噪聲譜密度必須小于或等于2.26 nV/√Hz。ADA4841-1的寬帶噪聲譜密度為2.1 nV/√Hz，符合這一要求。

放大器需要考慮的另一個重要特性是特定輸入頻率時的失真。通常，為獲得最佳性能，16位ADC需要大約100  dB的總諧波失真(THD)，18位ADC需要大約110 dB。圖8顯示對于2 V p-p輸入信號，ADA4841-1的典型失真與頻率的關系圖。

圖8. ADA4841-1的失真與頻率的關系

圖中顯示的不是總諧波失真，而是一般最為重要的二次和三次諧波成分。ADA4841-1的噪聲非常小，失真特性優異，足以驅動18位ADC到大約30  kHz。當輸入頻率接近100 kHz或更高時，失真性能開始下降。為在高頻時實現低失真，需要使用功耗更高、帶寬更寬的放大器。較大的信號也會降低性能。對于0 V至5  V的ADC輸入，失真性能信號范圍將提高到5 V  p-p。從圖8所示的失真圖可看出，這將產生不同的性能，因此放大器可能需要測試，以確保它滿足要求。圖9比較了多個輸出電壓水平的失真性能。

圖9. 不同輸出電壓水平下失真與頻率的關系

裕量，即放大器最大實際輸入/輸出擺幅與正負電軌之差，也可能影響THD。放大器可能具有軌到軌輸入和/或輸出，或者要求最高1  V甚至更大的裕量。即便是軌到軌輸入/輸出，如果工作信號電平接近放大器的供電軌，也將難以獲得良好的失真性能。因此，最好應選擇讓最大輸入/輸出信號遠離供電軌的電源電平。考慮一個0  V至5 V輸入范圍的ADC，采用ADA4841-1放大器驅動，需要將ADC的范圍提高到最大。該放大器具有軌到軌輸出，對輸入有1  V的裕量要求。如果用作單位增益放大器，則至少需要1 V的輸入裕量，正電源至少必須是6 V。輸出為軌到軌，但仍然只能驅動到地或正供電軌的大約25  mV范圍內，因而需要一個負供電軌，以便一直驅動到地。為了給失真性能留有一定的裕量，負供電軌可以是–1 V。

如果允許降低ADC輸入范圍，從而喪失一定的SNR，則可以消除負電源。例如，如果ADC的輸入范圍降為0.5 V至5 V，此10%損失將導致SNR降低大約1  dB。然而，這樣就可以將負供電軌接地，從而消除用以產生負電源的電路，降低功耗和成本。

因此，選擇放大器時，務必考慮輸入和輸出信號范圍要求，以便確定所需的電源電壓。本例中，額定工作電壓為5  V的放大器不能滿足要求;但ADA4841-1的額定電壓高達12 V，所以使用較高的電源電壓將能實現出色的性能，并提供充足的電源裕量。

關于特殊器件的附加信息

具有軌到軌輸出的低功耗、低噪聲、低失真運算放大器

ADA4841-1低功耗運算放大器提供 2-nV/√Hz 寬帶噪聲和–110 dBc無雜散動態范圍(SFDR)，非常適合驅動16位和18位PulSAR®  ADC，適用于便攜式儀器儀表、工業過程控制和醫療設備。該單位增益穩定型放大器的特性包括：60 μV輸入失調電壓、114 dB開環增益、114 dB共模抑制、80  MHz帶寬(–3 dB)、12 V/µs壓擺率和175 ns的0.1%建立時間。輸入信號范圍可擴展至負供電軌以下100 mV，輸出擺幅可以達到任一供電軌的100  mV范圍內，從而提供單電源工作能力。ADA4841-1可采用2.7 V至12 V單電源或±1.5 V至±6 V雙電源供電，正常模式下的功耗為1.1  mA，掉電模式下為40 μA。它采用8引腳SOIC封裝，額定溫度范圍為–40°C至+125°C，千片訂量報價為1.59美元/片。