Журнал РАДИОЛОЦМАН, апрель 2015
Tyler Hutchison и Clarence Mayott, Linear Technology
Design Note 1031
Введение
Во входных каскадах высокоскоростных АЦП используются схемы выборки и хранения, состоящие из быстродействующего КМОП-ключа и запоминающего конденсатора. Когда КМОП-ключ закрывается, часть заряда, накопленного запоминающим конденсатором, возвращается обратно в предшествующую схему драйвера АЦП (обратный выброс заряда). Чем больше емкость запоминающего конденсатора и хранящийся на нем заряд, тем больше внимания следует уделять схеме драйвера.
Запоминающая емкость типичного конвейерного АЦП составляет несколько пикофарад. Однако в высокоскоростном 16-разрядном АЦП LTC2270, выполняющем 20 млн. выборок в секунду, используется запоминающий конденсатор емкостью 17 пФ. Преимуществом относительно большого конденсатора является значительное снижение внутренних шумов сброса (kT/C) и соответствующее улучшение общего отношения сигнал/шум. Однако за это преимущество приходится расплачиваться возрастающей сложностью управления. Каждый раз, когда КМОП-ключ закрывается, запоминающий конденсатор выбрасывает в схему драйвера значительно больший заряд, чем конденсатор меньшей емкости.
Особого внимания требует интерфейсный фильтр между драйвером и АЦП. Неудачно сконструированный фильтр ухудшает отношение сигнал/шум и свободный от паразитных составляющих динамический диапазон (SFDR). Этот фильтр должен ограничивать шумы, а также адекватно подавлять обратный выброс заряда, чтобы защитить схему драйвера и сам АЦП от отраженных сигналов. В предлагаемом описании показано, как разработать подходящую схему драйвера и интерфейсный фильтр с полосой 10 МГц для АЦП LTC2270.
Выбор схемы драйвера
LTC2270 имеет превосходное отношение сигнал/шум, равное 84.1 дБ (приведенное ко входу напряжение шумов 46 мкВ с.к.з) и 99 дБ SFDR в основной полосе частот. Для того чтобы обеспечить оптимальные характеристики LTC2270, драйвер АЦП должен быть нечувствителен к большим обратным выбросам заряда, быть способным управлять относительно мощной нагрузкой и иметь низкий уровень широкополосных шумов.
Синфазное согласование на входе АЦП, обеспечивающее малые искажения АЦП, создает для драйвера значительную нагрузку. Кроме того, этот драйвер должен иметь очень малый уровень шумов. Так, например, входной шум усилителя 3 нВ/√Гц в полосе пропускания 10 МГц ухудшит отношение сигнал/шум более чем на 1 дБ. Хорошим решением, отвечающим всем перечисленным требованиям, является микросхема LTC6409. Она обеспечивает ток нагрузки и размах выходного напряжения, достаточные для качественного синфазного согласования, а приведенное к входу напряжение шумов не превышает 1.1 нВ/√Гц.
Конструкция фильтра
Высокочастотные конвейерные АЦП оцифровывают информацию в огромной полосе частот. LTC2270 имеет полосу пропускания на уровне полной мощности шириной 200 МГц, что позволяет дискретизировть 20 зон Найквиста и интегрировать широкополосные шумовые искажения, сигналы тактовой частоты и прочие радиочастотные артефакты.
 |
|
| Рисунок 1. | Интерфейсный фильтр с полосой пропускания примерно 10 МГц, включаемый между LTC6409 и LTC2270. |
Интерфейсный фильтр ограничивает широкополосные шумы драйвера, однако при плохой конструкции он также может ухудшить значение SFDR. Чтобы получить оптимальные характеристики SFDR для драйвера и АЦП, следует начать с этих общих рекомендаций:
- Со стороны своих входов АЦП должен видеть низкий импеданс. Поскольку выборка осуществляется преимущественно синфазно, входное согласование также должно быть синфазным.
- Схема драйвера должна видеть импеданс относительно высоким, в особенности при работе на полной шкале АЦП.
- Наилучшие характеристики имеют поглощающие фильтры (никогда ни разомкнуты, ни закорочены).
- Конденсатор в цепи согласования синфазного входа ослабляет эффект обратного выброса заряда в схему драйвера и АЦП. Фильтр, содержащий синфазную согласующую нагрузку и должным образом подавляющий обратный выброс заряда, будет оптимизировать SFDR.
Список советов по проектированию интерфейсного фильтра этим не исчерпывается, в особенности в части разводки печатной платы, но приведенные рекомендации затрагивают основные направления. Фильтр, представленный на Рисунке 1, иллюстрирует эти рекомендации и хорошо проявляет себя в лабораторных испытаниях. На Рисунке 2 изображена полная схема.
 |
|
| Рисунок 2. | Полная схема аналогового интерфейса АЦП, включающая буфер LTC6409, фильтр нижних частот с частотой среза 10 МГц и LTC2270. |
Лабораторные испытания
Созданные для каждой конкретной разработки фильтр и согласующая нагрузка должны быть экспериментально проверены, поскольку единого правила или формулы, которые учитывали бы все возможные начальные условия, не существует. Лабораторные испытания дают гарантию, что в составе этой конкретной схемы характеристики фильтра не ухудшатся вследствие, скажем, влияния паразитных параметров печатной платы. Лабораторные испытания могут также показать, что резистивные и реактивные элементы согласования оказывают значительное воздействие на искажения системы.
 |
|
| Рисунок 3. | Двухтональный спектр LTC2270. Повышенный уровень шумов привнесен генератором сигналов. |
Например, на Рисунке 3 приведены результаты двухтонального теста, проведенного с использованием интерфейсного фильтра с Рисунка 2. Кроме того, Рисунок 4 позволяет сопоставить уровни искажений при наличии поглощающей согласующей нагрузки и при ее отсутствии. Как видим, согласование заметно уменьшает искажения. Внутри полосы SFDR превышает 100 дБ, а отношение сигнал/шум снизилось всего на 0.4 дБ. Также в результате лабораторных испытаний могут быть выявлены неожиданные избыточные шумы или искажения. В большинстве случаев после экспериментов потребуется определенная доработка схемы. Например, сокращение ширины полосы пропускания может улучшить отношение сигнал/шум, но за это нередко приходится расплачиваться ростом искажений.
 |
|
 |
|
| Рисунок 4. | Спектр синусоиды 2.4 МГц после дискретизации в LTC2270 при частоте выборки 20 млн. отсчетов в секунду. SFDR довольно мал, когда из интерфейсного фильтра удалены все выходные элементы согласования (сверху). При правильно сконструированном фильтре характеристики SNR и искажений близки к указанным в техническом описании (внизу). |
Вот несколько практических правил, которые следует учитывать при проектировании интерфейсного фильтра:
- Соблюдайте симметрию фильтра, как по номиналам, так и по топологии печатной платы
- Используйте только конденсаторы с малыми искажениями на основе диэлектриков COG/NPO. Применяйте фильтрующие индуктивности с низкой добротностью или снижайте их добротность искусственно с помощью резисторов
- Обеспечивайте ограничение полосы синфазных сигналов
Заключение
Несмотря на дополнительную емкость запоминающего конденсатора в LTC2270, хороший драйвер и фильтр 10 МГц практически не ухудшают характеристик LTC2270, заявленных в техническом описании. Хотя комбинация LTC6409 и LTC2270 может использоваться для оцифровки и более высокочастотных сигналов, для разработки фильтра, скорее всего, потребуется больше, чем простая пропорциональная замена номиналов индуктивностей и конденсаторов. Наконец, чтобы получить эмпирические доказательства правильности выбора всех элементов интерфейса АЦП, обязательно проводите лабораторные исследования.
Материалы по теме
Купить LTC2270 на РадиоЛоцман.Цены
