确保在信号最大时利用该 ADC 的整个满标度范围 - 全文

凌力尔特具有 >101dB SNR 的 18 位 SAR ADC 新系列一定令你振奋吧，谁会不振奋呢? 不过你的付出得到所希望的回报了吗? 为了实现异常宽的动态范围，你需要确保在信号最大时，利用该 ADC 的整个满标度范围。换句话说，你需要运用所有代码。怎样才能做到这一点呢?

ADC 信噪比 (SNR) 的定义是，ADC 可以处理的最大信号与该 ADC 噪声层之比。为了实现高达 102dB 的 SNR，LTC2379 系列规定了 10Vpp 的差分输入范围，这意味着两个输入每一个都可以在 0V 至 5V 范围内摆动。

在 ADC 前面会有一个放大器。该放大器的作用是充当一个良好的电压源，以给 ADC 的采样电容充电。ADC 输入是放大器输出，因此，针对从 0V 至 5V 摆动的 ADC 输入，该放大器的输出必须在 0V 至 5V 范围内摆动。

如果有范围很宽的电源轨可用，那么事情就很容易。例如，也许你已经有部分前端靠 ±15V 的电源运行。在这种情况下，任何靠这种轨运行的运算放大器，其输出都可以在 0V 和 5V 之间摆动。你可以使用 LT1468 实现极好的 DC 准确度和快速稳定时间，或者使用 LT1124 实现非常低的漂移和低的 1/f 噪声，还可以使用封装非常小的 LT6011 实现微功率运算放大器。

如果你不喜欢使用 ±15V 这种范围很宽的电源，但仍然想要在 0V 至 5V 的整个范围内摆动，那么你可以仅针对最后一级放大器提供特殊的电源轨，例如 -2V 至 +7V。驱动 LTC2379-18 的 LT6350 的参考设计准确地做到了这一点 (参见图 1)。用 +7V 电源给 5V 基准供电也很方便。

图 1：通过用 +7V 至 -2V 的电源给 LT6350 供电，可以为每个 ADC 输入从 0V 至 5V 摆动提供大量空间。这是 DC1783A 演示电路板上演示的缺省参考设计。

不过，如果你想用单一 5V 电源轨给放大器供电，会发生什么情况呢? 你也许认为，利用轨至轨运算放大器，刚好有足够的空间以摆动在 0V 至 5V，但实际上你是做不到的。轨至轨输出级并非是真正轨至轨的。这种输出级充其量也只能达到与每个轨相差约 10mV 的电压，而且这还是在硬限幅的情况下实现的，有时还会导致较慢的饱和恢复时间。如果需要良好的线性度 (低失真)，那么输出电压通常应该与每个轨相距至少数百毫伏。例如，新的低功率差分运放 LTC6362 (参见图 2) 用单一 5V 电源工作。其输出可以摆动至与任一电源轨相差约 100mV 的范围，该器件在与任一轨相差 250mV 以内时，保持 >110dB 的线性度。如果你设计系统时，让感兴趣的最大信号不超过这个范围，那么就运用了至少 90% 的 ADC 代码，这意味着，你实现了与所申明的动态范围相差 1dB 的范围。在很多情况下，这就是最好的解决方案了。实际上，这会让人安心，因为你知道放大器保证不会超过 (或恶化、损害) ADC 的输入范围。这自然而然起到了保护作用。

图 2：即使每个输出摆动至与最接近的轨相差 250mV 以内时，LTC6362 差分运算放大器仍然保持 >110dB 的线性度。这给以缺省模式运行的 LTC2397-18 ADC 提供了 -1dBFS 的摆幅。如果以数字增益压缩 (DGC) 模式配置 ADC，那么为了仍然运用该 ADC 的所有代码，LTC6362 的输出仅需要 8Vpp 的差分摆幅。

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。

另一种降低运算放大器输入摆幅要求的方法是，采用负输出配置的放大器。例如，如图 4 所示，LT6350 的每一个运算放大器都配置为负输出，以便运算放大器输入的 DC 电压保持在电源电压范围中间的某个部位。这样，与输入共模模式没有问题。诸如 LTC6362 等差分运算放大器本身就总是负输出。当用于如图所示的单端至差分转换时，运算放大器输入确实有摆动，但摆幅远小于信号本身的幅度。请注意，在每一个负输出配置中，电路的输入阻抗都是电阻性的，因此必须确保前面的电路能驱动这个电阻。

图 4：通过以负输出模式配置 LT6350 的第一个运算放大器，该 IC 的输入电压没有变化，即使给这个电路加上一个 ±10V 的信号。LTC2379-18 的数字增益压缩将运放输出的 0.5V 至 4.5V 摆幅转换为满标度，从而即使仅用单一电源供电，也可提供所有代码。

总之，凌力尔特提供全线放大器解决方案，以使所需的信号进入性能最高的 16 位和 18 位 ADC。