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ADI:射频采样ADC输入维护:这不是魔法

文章转自ADI官网,版权归属原作者所有 简介任何高性能模数转换器(ADC),尤其是射频

文章转自ADI官网,版权归属原作者一切

简介

任何高功用模数转化器(ADC),尤其是射频采样ADC,输入或前端的规划关于完成所需的体系级功用而言很要害。许多状况下,射频采样ADC能够对几百MHz的信号带宽进行数字量化。前端可所以有源(运用放大器)也可所以无源(运用变压器或巴伦),详细取决于体系要求。不管哪种状况,都有必要慎重挑选元器材,以便完成在方针频段的最优ADC功用。

射频采样ADC选用深亚微米CMOS工艺技能制作,而且半导体器材的物理特性标明较小的晶体管尺度支撑的最大电压也较低。因此,在数据手册中规则的出于可靠性原因此不该超出的肯定最大电压,将当时干流的射频采样ADC与之前的老器材比较,能够发现这个电压值是变小的。

在运用ADC对输入信号进行数字量化的接收机运用中,体系规划人员有必要亲近重视肯定最大输入电压。该参数直接影响ADC的运用寿命和可靠性。不可靠的ADC或许导致整个无线电体系无法运用,且替换本钱或许非常巨大。

为了抵消过压带来的危险,射频采样ADC集成了能够检测高电平阈值的电路,答应接收机经过自动增益操控(AGC)环路调理增益来进行补偿。可是,假设选用流水线型ADC,则与架构相关的固有推迟或许导致输入露出于高电平之下,然后或许危害ADC输入。本文评论了一种简略的方法来增强AGC环路,维护ADC。

输入架构

射频采样ADC可选用多种不同的规划,最常见的一种是流水线架构,该架构选用多级级联,将模仿信号转化为数字信号。榜首级最重要,可所以缓冲或未缓冲级。挑选哪种规划取决于规划要求和功用方针。例如,一个带缓冲器的ADC一般在频率规模内具有更好的SFDR功用,但功耗比不带缓冲器的ADC更高。

前端规划相同会依据ADC是否有缓冲级而改动。没有缓冲器的ADC需求运用额外的串联电阻来处理输入电荷反冲,它相同会改进SFDR功用。图1和图2显现了AD9625未缓冲和AD9680缓冲射频采样ADC的等效输入电路简化图。为简明起见,仅显现单端输入。

Figure 1
图1. 未缓冲射频采样ADC输入的等效电路
Figure 2
图2. 缓冲射频采样ADC输入的等效电路

不管选用何种架构,ADC输入端可继续的肯定最大电压由MOSFET能够处理的电压决议。缓冲输入更杂乱,且比未缓冲输入功耗更大。ADC具有多种不同类型的缓冲器,最常见的一种是源极跟从器。

毛病机制

缓冲和未缓冲ADC的毛病机制有所不同,但一般是在超出答应的最大栅极-源极电压(VGS)或漏极-源极电压(VDS)时发作毛病。这些电压如图3所示。

Figure 3
图3. MOS晶体管的要害电压

例如,假定VDS超越答应的最大电压,则发作VDS击穿毛病,这一般在MOSFET处于关断状况且在漏极施加了相关于源极的过量电压时发作。假设VGS超越答应的最大电压,则它会导致VGS击穿(亦称为氧化层击穿)。这一般在MOSFET处于导通状况且在栅极施加了相关于源极的过量电压时发作。

未缓冲ADC的毛病机制

图4显现的是一个未缓冲ADC输入。采样进程由反相时钟信号Φ和Φ操控,它们是MOSFET M1的采样/坚持信号以及MOSFET M2的复位信号。M1导通时,M2关断,且电容CSW盯梢信号(采样或盯梢形式)。当M1关断时,MDAC中的比较器作出判断后M2导通,电容CSW复位。这样可在采样阶段使采样电容为下一次采样做好预备。该电路一般作业状况优秀。

可是,高压输入使M2露出在超出其漏源电压的应力之下。当对输入高压进行采样(M1导通、M2关断)时,M2会露出于较大的VDS之下,其在缺乏采样时钟半周期的时刻内处于关断状况,但哪怕仅仅瞬时的露出也会下降电路的可靠性,导致ADC随时刻失效。在复位形式下(M1关断、M2导通),因M1的漏极上有输入信号,然后也会露出于大的VDS电压。

Figure 4
图4. 未缓冲ADC输入的毛病形式

缓冲ADC的毛病机制

图5显现的是一个缓冲ADC输入。采样和复位信号适用相同的时钟计划。不管相位怎么,当缓冲器M3栅极露出于高压输入时,发生电流I1以及I2。电流源I1选用PMOS晶体管完成,而I2选用NMOS晶体管完成。M3栅极上的高电压导致I1和I2 MOSFET发生过大的VDS。此外,M3栅极上的高电压还可导致氧化层击穿。

Figure 5
图5. 缓冲ADC输入的毛病形式

缓冲和未缓冲ADC的击穿机制有所不同,因此肯定最大输入电压相同有所不同,如表1所以。

表1. 缓冲与未缓冲ADC的肯定最大值标准

ADC工艺 (nm)输入结构肯定最大 输入电压(V)差分摆幅 (V p-p)
14位 105  MSPS350缓冲79.2
14位 125  MSPS180未缓冲

2.04.5
16位 250  MSPS

180缓冲3.66.0
12位 2.5  GSPS

65未缓冲

1.524
14位 1.0  GSPS

65缓冲3.24.6














ADC Input Protection Using a TVS Diode

ADC inputs 有几种方法能够维护ADC输入不受高压影响。部分ADC(特别是射频采样ADC)具有内置电路,能够检测输入电压并在超越设定阈值时进行上报。如数据手册中所述,该快速检测输出存在一些推迟,因此仍然会使ADC输入端短时刻内暴漏于高压之下。

有几种方法能够维护ADC输入不受高压影响。部分ADC(特别是射频采样ADC)具有内置电路,能够检测输入电压并在超越设定阈值时进行上报。如数据手册中所述,该快速检测输出存在一些推迟,因此仍然会使ADC输入端短时刻内暴漏于高压之下。

Figure 6
图6. 带TVS二极管维护的ADC前端电路

尽管TVS二极管经过箝位过量电压维护ADC输入,但它们会极大地恶化谐波功用。图7显现了具有30 MHz、–1 dBFS输入的14位、250 MSPS无缓冲ADC的前端带与不带TVS二极管时的FFT比较状况。

Figure 7
图7. 带与不带TVS二极管维护的ADC前端电路FFT比较

TVS二极管会极大地恶化奇次谐波功用,因为它们在不效果为箝位的时分就相当于一反向偏置二极管。该PN二极管具有结电容CJ0,该电容与ADC内部开关动作发生的非线性反冲电流相互效果,发生一个与模仿输入信号混合的电压信号。该混合信号在ADC内部被采样,发生极大的三次谐波。在过压条件下的时域曲线(图8)显现了TVS二极管的箝位削压的功用。这并不标明TVS二极管不适合用来维护ADC输入,仅仅有必要细心考虑二极管标准,以便到达功用要求。挑选二极管类型及其参数时有必要作更全面的考虑。

Figure 8
图8. 前端电路中的TVS二极管维护导致削波信号

图8. 前端电路中的TVS二极管维护导致削波信号

当带宽和采样速率到达GHz和GSPS等级时,射频采样ADC能够简化无线电接收机规划,因为它们不需求ADC前具有许多的混频级,但这样会让ADC输入易受过压应力影响。图9显现的是用于射频采样ADC的典型前端规划,选用放大器驱动。新一代放大器专为与这些ADC完成接口而规划,具有快速进犯呼应输入管束,可经过串行外设接口(SPI)装备,将输出衰减为预订增益。快速进犯呼应引脚能够装备为呼应射频采样ADC的快速检测输出。ADA4961是具有快速进犯呼应功用的新一代放大器实例。AD9680 和 AD9625 是具有快速检测功用的射频采样ADC实例。

Figure 9
图9. 带快速进犯呼应功用的放大器驱动带快速检测功用的射频采样ADC

只需输入电压处于合理的规模之内,图9中的拓扑便能作业杰出。举例而言,假设该接收机的输入端收到突发高压信号,则放大器的输出将上升至放大器电源轨的电压水平(本例中为5 V)。这将发生巨大的电压摆幅,超越ADC输入端的肯定最大额外电压。快速检测功用存在必定推迟(AD9680-1000为28个时钟周期或28 ns),因此比及快速检测逻辑输出告知放大器置位快速进犯呼应时,ADC早已露出在高压下数个时钟周期。这或许下降ADC的可靠性,因此无法接受这种危险的体系规划有必要选用第二维护形式。具有极低器材和寄生电容的快速呼应肖特基二极管在这种状况下非常管用。特定二极管的要害参数可拜见数据手册。

反向击穿电压(VBR)——AD9680输入引脚上的最大输入电压——相关于AGND约为3.2 V,因此为该二极管挑选数值为3 V的反向击穿电压。

结电容(CJ0)——二极管电容应尽或许低,保证正常作业时二极管不影响ADC的沟通功用(SNR/SFDR)。

图10显现的是无源前端,肖特基二极管坐落ADC之前。无源前端比较简单演示肖特基二极管在不影响沟通功用状况下对ADC输入端的维护。

Figure 10
图10. 显现射频采样ADC和肖特基二极管的无源前端电路

这颗射频采样ADC经过测验可输入高达2 GHz频率的信号,因此选用RF肖特基二极管(RB851Y)。表2显现RB851Y的要害参数;标明该器材适合该运用。测验成果显现二极管避免了ADC输入电压超越其3.2 V的肯定最大电压(相关于AGND)。图11显现的是一个单端输入(ADC的VIN+引脚)露出在高压之下(185 MHz)的状况。肖特基二极管将电压箝位至3.0 V左右(相关于AGND),避免ADC输入到达3.2 V限值。图12显现的是在肖特基二极管箝位下的AD9680输入端的差分信号。

表2. 用于维护射频采样ADC输入的肖特基二极管要害参数

参数

数值单位注释
反向电压 (VR)3VAD9680数据手册中,肯定最大额外电压值为VIN± = 3.2 V
端点之间的电容(CJ0, 或 Ct)0.8pF正常条件下对ADC功用影响较小








Figure 11
图11. 肖特基二极管箝位的单端ADC输入
Figure 12
图12. 肖特基二极管箝位AD9680差分输入信号

下一步,咱们丈量正常作业功用。AD9680依照数据手册中的主张进行操控,但输入如图10所示进行修正。模仿输入频率改变规模为10 MHz至2 GHz。CJ0的超低数值应当不会对ADC的SNR和SFDR功用形成影响。

Figure 13
图13. AD9680带肖特基二极管维护时SNR/SFDR与模仿输入频率的联系

肖特基二极管底子不会影响SNR功用,但某些频率下SFDR与预期值有所误差,如图13所示。这或许是因为差分信号失配或ADC反冲所导致的。评价板是从直流到2 GHz的宽频段规划,因此当它在整个频段内的全体作业杰出时,某些元器材或许在特定频率下与肖特基二极管相互效果。

大部分运用不会用到整个2 GHz频段,因此能够经过修正过压维护的输入电路,将前端调谐至所需的方针信号带宽。慎重挑选肖特基二极管能够维护ADC输入,因此体系规划人员能够运用具有最新快速进犯呼应功用和快速检测功用的放大器驱动前端电路,如图14所示。

Figure 14
图14. ADA4961驱动AD9680(显现射频采样ADC和肖特基二极管)

定论

本文评论怎么运用肖特基二极管维护射频采样ADC输入,使其免受过压应力的影响。细心检查二极管的数据手册参数很要害。为了完成最佳的方针频段功用,需求对该电路的施行进行规划。射频采样ADC的快速检测输出能够与最新放大器的快速进犯呼应功用进行合作,设置自动增益操控环路。

参阅电路

Castera, Jim and Rob Reeder. “宽带ADC前端规划考虑II:用放大器仍是用变压器驱动ADC?” 模仿对话,第41卷第1期,2007年。

Das, Dave Roy. “高速开关电容ADC的低失真缓冲技能.” 麻省理工学院,1997年。

Kester, Walt. 数据转化手册.ADI公司,2004年。

MT-228: 高速ADC模仿输入接口考虑要素

Reeder, Rob. “高速无缓冲ADC的反冲.” Electronic Design, 2011年。

Reeder, Rob. “测验高速ADC的模仿输入相位不平衡.” UBM Electronics, 2011年。

Shedge, Dnyandeo, Devendra Itole, Milind Gajare, 和 Prakash Wani. “CMOS源极跟从器和超级源极跟从器的剖析与规划.” ACEEE.

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