用于LTC2377-20的DC精密驱动器可实现2ppm线性度

随着模数转换器 (adc) 的分辨率和采样率持续上升，其模拟输入的驱动电路（而不是模数转换器本身）日益成为决定整个电路精度的限制因素。首先，驱动电路必须能够缓冲输入信号并提供增益。此外，还必须能够进行电平转换或将单端信号转换为全差分信号，以满足adc 的输入电压范围和共模要求。所有这些都必须在不给原始信号增加失真的情况下完成。
本“设计要点”介绍一种简单的 adc 驱动器电路，它将 ±10v 单端输入信号转换为全差分信号，能够以仅 2ppm 的综合线性度误差驱动ltc®2377-20 20 位 sar adc。此外，还分析了可提供更高输入阻抗和更低总体电源电流的选项。
电路说明
图 1 中的电路可以将 ±10v 单端信号转换为ltc2377-20 (u1) 所需的 ±5v 全差分信号。ltc2377-20 是一款 20 位、500ksps 的低功耗sar adc，具有 ±0.5ppm 典型积分非线性(inl)。ain 的电压被 u4 缓冲，其随后驱动 u5电阻串，充当精密分压器。u3 以 –1/2 增益运行，并驱动 u5 电阻串的中心，以将 adc 共模电压保持在 vref/2。
u3 和 u4 是 lt®1468a 低失调高线性运算放大器。u5 是 lt5400a 四通道匹配电阻网络，其保证最高失配为 0.01%。u5 中的匹配电阻值非常重要，因为任何失配都会导致电路出现失调和满量程误差。出于此原因，以及其极低的电压系数，所以请不要使用分立电阻器来代替lt5400a。r4 为 u3 的输出提供 1/4 标度移位。r1 和 r2 构成分压器，这给 u3 的同相输入端施加了 vref/2 的偏置电压。
图1. ±10v 输入范围、20 位、500ksps 数据采集系统具有 2ppm inl
r5 和 r6 将反相放大器 u3 的增益设置为 –0.5。c10、c12 和 u5 电阻器组合形成 adc 输入端的 1.4mhz 滤波器。此外，u5 的引脚 1 和引脚 8之间的电阻器有助于将 u4 输出与 adc 从保持模式进入采样模式时会出现的电荷高峰隔离开来。由于 ltc6655a-5 (u2) 能够快速从转换期间 ref引脚上发生的瞬变中稳定下来，且本身的噪声很低，因而被选作该电路的基准。
电路性能
该电路的典型交流性能包括 –123.5db 的 thd和 102.7dbfs 的 snr、500ksps 采样速率，以及 100hz 输入信号。您可以在图 2 的 fft 中查看此性能。thd 和 snr 的性能接近于ltc2377-20 数据手册中的典型值，表明在使用此驱动器时性能下降很小。
如图 3 所示，在采样速率为 500ksps 的情况下，组合电路在整个 ±10v 输入信号范围内的典型线性性能为 +2ppm、–1.3ppm。线性度受 adc的 inl 和运算放大器 u4 的 cmrr 的限制。
adc 输入端的合并失调，包括源自 u4、u5 和u1 的失调，测量值为 +50μv。u3 的失调对该驱动器的失调没有任何影响。对 adc 输入失调进行最坏情况分析通过加入 u1、u4 和 u5的最大失调进行计算：
vos(max) = bze(max)u1 + vos(max)u4/2 +(vref/2 – vref/(2 + δr/r(max)u5))vos(max) = 13ppm • 10μv/ppm + 75μv/2 +(5/2 – 5/(2.0001)) • 1e6μvvos(max) = 292μv = 29.2ppm
lt1468a 的最大输入偏置电流为 ±40na。对于需要更高输入阻抗的应用，可以使用 lt1122a替换 u4。lt1122a 是一种快速稳定的 jfet 输入运算放大器，最大输入偏置电流为 75pa。在此电路中使用 lt1122a 之后，inl 为 +6ppm、–1.1ppm，具体请参见表 1 中的运算放大器性能比较数据。
图 2. 组合电路 fft
ltc2377-20 adc 在采样率为 500ksps（全速率）时，典型电源电流为 4.2ma。ltc2377‑20 在一次转换操作后自动断电，直到下一次转换操作开始时才再次上电。这种自动关断功能可以降低adc 的功耗，对于采样率极低的应用采样率可低至 1μa。
对于电源电流非常重要的低采样率应用，lt1468a 最高 5.2ma 的电源电流可能过高。对于这些应用，可以使用 ±15v 时最大电源电流500μa 的 lt1012a 皮安输入电流、微伏失调、低噪声运算放大器来代替 lt1468a。使用lt1012a 采样率最高达 125ksps 时，线性度可以达到 +0.9ppm、–0.5ppm，具体请见表 1 中的运算放大器性能比较数据。采样率高于125ksps 时，inl 性能开始下降，这是因为运算放大器不能足够快速地稳定下来，并准确驱动adc。
图 3. 线性度与输入电压的关系
结论
此处所示的 adc 驱动器电路可以将 ±10v 单端信号转换成用于 ltc2377-20 500ksps sar adc 的 ±5v 全差分信号。组合电路性能达到50μv 失调、2ppm inl、102.7dbfs snr，以及123.5db thd。该驱动器主要由两个 lt1468a运算放大器和一个 lt5400a 匹配电阻阵列组成。此电路的其他版本使用 lt1122a 运算放大器来提供 75pa 的最大输入电流，或者在采样率降低时，使用 lt1012a 运算放大器来降低电源电流。linear technology 可提供该电路的演示板dc2135。
表 1. 运算放大器性能比较