驱动 ADC 的运算放大器的输出摆幅 - 确保在信号最大时利用该 ADC 的整个满标度范围

LTC2379 系列提供称为数字增益压缩 (DGC) 的创新性功能。接通这个功能时，ADC 将等于基准电压 10% 至 90% 的电压摆幅视为满标度。以这种方式工作时，采用一个 5V 基准，放大器输出仅需要在 0.5V 至 4.5V 范围内摆动，以及仍然可以使用 18 位 ADC 的所有 262,144 个代码。你可以相应扩展前端增益，并以 18 位分辨率获得满标度，同时放大器仅用单一 5V 电源运行。即使用上了所有代码，动态范围仍然会缩小一点，因为模拟电压摆幅从 10Vpp 减小到了 8Vpp，同时热噪声仍然保持不变。就 18 位 ADC 而言，量化噪声非常小，以至于仅热噪声才需要重视，因此在数字增益压缩模式，会损失大约 2dB 的 SNR。就 16 位 ADC 而言，在数字增益压缩模式仅损失 1dB SNR，因为你还会从相应减小的量化噪声中受益。

单端 (或伪差分) LTC2369 系列不支持数字增益压缩，这是故意为之的，因为就单端单极性信号而言，接近零的性能通常是最重要。当信号很小时，你恰恰最重视高性能 ADC 的精细分辨率和低噪声性能。就差分 ADC 而言，当两个输入相等时，就得到了“零”。就单极性单端 ADC 而言，当输入信号接地时，得到“零”。因此，为了实现这种接地连接，你的确需要放大器能摆动至地。如果没有外部负电源可用，那么 LTC6360 可以用来解围。这款低噪声、DC 准确的高速运算放大器内部包括一个内置的充电泵，该充电泵在芯片上产生一个小的负偏置电压，以给输出级供电。采用这种方式，输出可以完全摆动至 0V，而不会接近失真或限幅状态。在高压端，LTC6360 的输出可以摆动至大约 4.5V。你或者可以将这定义为最大信号，并满足在 5V 基准的满标度之 1dB 内，或者使用 4.096V 基准并在满标度范围内摆动。后一种系统完全靠单一 5V 电源工作，甚至包括基准本身 (参见图 3)。

图 3：LTC6360 运算放大器包括一个内置的超低噪声充电泵，该充电泵允许输出完全摆动至 0V，而不会产生任何失真迹象。采用这种方式，可以开发一个彻底的单电源系统，该系统仍然可以向 LTC2379-18 伪差分 ADC 提供相应于满标度 (包括零) 范围摆动的电压。这个例子使用了一个 4.096V 基准，以便 LTC6655 基准 IC 也可以用 5V 模拟电源供电。

以上所有内容均探讨的是驱动 ADC 的运算放大器的输出摆幅。下面，我们应该把注意力转移到输入摆幅限制上了。

有时，你想让最后一级运算放大器做的全部事情就是缓冲信号并将信号输入到 ADC，而不提供任何增益或电平移动。就一个配置为单位增益的运算放大器而言，输入摆幅与输出是一样大的。这里的问题仍然是，如果你有范围很宽的电源轨可用，例如 ±15V 或 -2V 至 +7V，那么不存在任何问题。但是，如果你想用单一 5V 电源让运算放大器工作，那么有可能产生一种想法，即认为所需做的所有工作仅是，在很多轨至轨输入运算放大器中选出一个，然后一切都将正常工作。不过，轨至轨输入级实际上是由两个并联输入级组成的：一个在输入接近正轨时工作；另一个在输入接近负轨 (或地) 时工作。这两个输入级每个都有自己的失调电压。当信号从一个输入级转换到另一个输入级时，在“切换”点处会产生一个失调电压阶跃。这会导致系统转移函数的非线性。你需要查看运算放大器的数据表，以弄清楚是否在两种状态下都对失调进行了微调。如果没有进行微调，那么非线性就可能对 16 位或 18 位 INL 性能有很大的不利影响。另一方面，LTC6360 在整个输入工作范围内对失调进行了严格的调整。结果，即使信号在 0V 至 4V 范围内摆动时，仍然能保持谐波失真低于 -100dB，这个范围涵盖了切换点，就这款运算放大器而言，切换点电压约为 3.6V。