高頻AD8331 VGA與 ADC AD9215互連 - 全文

　　電路功能與優勢

　　在將具有寬動態范圍的模擬信號轉換為數字格式，而ADC分辨率不足以捕捉全部有用信息時，可變增益放大器（VGA）可以發揮重要作用。例如，具有2 V峰峰值輸入范圍的10位轉換器的LSB大小為2 ÷ 1024，即稍低于2 mV。VGA放大幅度小于最低分辨率的輸入信號，并衰減大信號，以免ADC飽和。信號強度在數微伏至數伏范圍內的超聲接收機，以及幾乎所有接收機都會用到的中頻（IF）放大器，就是這類應用的例子。對于直流或低頻模擬信號，分辨率最高達24位的Σ-Δ型ADC經濟實惠、款式多樣，但采樣頻率通常限制在數百 kHz。現有的先進ADC的分辨率會隨著采樣頻率的提高而降低，這使得利用標準ADC對高頻、低振幅信號進行精確數字化處理極其困難。可變增益放大器可以方便地解決這一問題，圖1所示為VGA驅動ADC的典型應用。

　　圖1：AD8331 VGA與AD9215 ADC互連（原理示意圖，所有連接/去耦均未顯示）

　　AD8331/AD8332/AD8334分別是單通道/雙通道/四通道、超低噪聲、線性dB可變增益放大器（VGA），針對超聲系統進行了優化，可以用作低噪聲可變增益元件，工作頻率最高達120 MHz。

　　各通道內置一個超低噪聲前置放大器（LNA）、一個48 dB增益范圍的X-AMP? VGA以及一個具有可調輸出限制功能的可選增益后置放大器。LNA增益為19 dB，具有單端輸入和差分輸出。LNA輸入阻抗可以利用一個電阻來調節，以便與信號源相匹配，且不影響噪聲性能。

　　VGA的48 dB增益范圍使這些器件適合各種不同的應用。帶寬在整個增益范圍內可保持出色的一致性。對于40 mV至1 V范圍內的控制電壓，增益控制接口可提供精確的50 dB/V線性dB調整。通過工廠調整可確保器件間及通道間具有出色的增益匹配特性。

　　電路描述

　　VGA和現代ADC的功能已遠遠超越早期ADC設計所用的傳統運算放大器。在本例所用的VGA中，增益由外部控制。針對10位或12位轉換器映射的增益值可通過引腳選擇，低噪聲級的阻抗則可通過一個串聯R-C網絡調整，以獲得各種不同的阻抗值。借助簡單的引腳搭接便可使用高速轉換器產品。

　　圖1所示電路展現了典型VGA與ADC的互連情況。對于本例，AD8331 VGA與AD9215 ADC在頻率范圍和差分接口匹配方面兼容。為簡明起見，圖中未顯示電源去耦。

　　AD8331內置一個低噪聲前置放大器，后接一個差分衰減器和增益級。此VGA僅需5 V單電源供電。ADC的低噪聲3 V電源可由與5 V電源相連的LDO提供，例如ADP3339。該VGA的差分輸出用于驅動具有差分輸入的ADC，其輸入范圍為1 V峰峰值至約4.5 V峰峰值。AD9215的輸入范圍可以設置在1 V峰峰值差分與2 V峰峰值差分之間。對于本電路，ADC輸入范圍設置為2 V峰峰值差分。

　　與大多數單電源器件一樣，AD8331需要一個電壓為供電電壓中間值的內部基準電壓源，用于一對鏡像放大器，它可在輸出端（折合到共模電壓CMV）提供相等但極性相反的信號。關于此功能的更多信息，請參考AD8331數據手冊。VGA的引腳11 （VCM）既可以作為輸入，也可以作為輸出。作為輸出時，VCM電路可以在引腳11上進行去耦，或者可以通過一個電壓源驅動該引腳，以修改共模電壓的值，從而適應具有不同輸入范圍的各種ADC。如果保持浮地，VCM電壓將為電源電壓的一半，這對于交流耦合應用是最佳值。

　　引腳12 （CLMP）將輸出擺幅箝位在ADC差分輸入的限制內，從而避免出現可能會嚴重影響轉換器的過驅問題。利用一個簡單的電阻控制箝位幅度。如果CLMP引腳上沒有任何連接，則箝位電壓為以2.5 V共模電壓為中心的差分4.5V峰峰值。

　　測試波形選擇1 MHz正弦波，利用 ADC Analyzer?軟件恢復的波形如圖2所示。采樣頻率為65 MSPS，對應于AD9215的65 MSPS版本。LNA輸入信號為70 mV峰峰值，經過外部低通和高通濾波器處理，可濾除信號發生器的雜散。VGA增益為29 dB，可將信號放大到大約ADC滿量程輸入電壓的一半。VGA與ADC之間的高通和低通濾波組合可衰減50 kHz以下的低頻噪聲（33 Ω和100 nF可產生48 kHz的低頻截止頻率），以及100 MHz以上的頻率（42 pF和33 Ω可產生114 MHz的高頻截止頻率）。