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我们想使用 PGA855直接驱动以20MSPS 运行的 AD9653 16位 ADC。 信号的最大频率是1 MHz 正弦波。
PGA855声明它只能以高达1MSPS 的采样率直接驱动 ADC。 我需要帮助了解限制。
为什么 PGA 关注 ADC 采样率？ 这种限制的原因是什么？
PGA855数据表声称其带宽为10 MHz。 即使在1 MHz 带宽下、1MSPS ADC 也很低、仅需几百 KHz 即可正常使用。 如果您只能在高达200KHz 的频率下使用具有10 MHz 带宽的 PGA、这有什么好处？
尊敬的 David：
PGA855是一款具有~10MHz BW 的精密可编程增益放大器。 与大多数提供约~10MHz 范围 BW 的精密运算放大器、仪表放大器和全差分放大器一样、PGA855性能和 ADC 驱动能力具有预期的类似行为方式。 PGA855 ADC 输出驱动、小信号和大信号频率响应以及 THD 性能与提供~10至~μ V 20 MHz BW 的其他放大器一致。
有不同的 ADC 拓扑结构、代表不同的放大器 ADC 驱动要求：中精度和高精度 SAR ADC、精密/高分辨率 Δ-Σ ADC 和高速流水线 ADC。 许多 ADC 都是未缓冲的、其中外部放大器必须直接驱动采样保持电容器、而其他 ADC 则具有内部缓冲放大器或预充电缓冲器、使其易于驱动、并允许放大器支持更高的采样率。 因此、ADC 放大器驱动要求因 ADC 架构、ADC 采样保持电容器/结构、ADC 是提供集成缓冲器还是预充电缓冲器、ADC 位分辨率和 ADC 采样速率而异。
PGA855数据表中建议的1MSPS 采样率是保守的、主要是指高分辨率(16位、18位、20位)、 精密非缓冲 SAR . 在采集阶段、驱动器放大器必须为转换器的内部采样保持电容器充电。 采样保持电压必须稳定在 ADC 分辨率的½最低有效位(LSB)范围内。 因此、ADC 分辨率越高、LSB 就越小、这就要求外部电路稳定至小得多的误差窗口。 在大多数 SAR 中、采集时间与采样率成反比、因此、在快速采样率下、采集时间非常短。
例如、ADS9234是一款非缓冲16位 SAR ADC、支持3.5MSPS 的采样率、在3.5MSPS 下、采集阶段可短至140ns。 在大多数情况下、建议/要求使用 THS4551 (150MHz)等高速全差分放大器、它能够在非常短的采集时间内以所需的16位 SAR 分辨率驱动和稳定、同时提供最佳的 THD 性能。
因此、根据采集时间、ADC 分辨率和采样保持电容器、PGA855可 在未缓冲的 SAR ADC 上支持约1MSPS 至2MSPS 的采样率。 请记住、对于其他采用10MHz 至20MHz BW 的标准运算放大器或仪表放大器、ADC 驱动性能与放大器 BW 的这种趋势也是如此、并且这不是 PGA855特有的限制。
您在上面文章中提到的 ADC 是一个高速管道 ADC、支持高达120 MSPS、您想要以20 MSPS 的速度运行。 我没有关于此 ADC 的详细信息、因为它来自不同的制造商。 但请考虑以下情况：
如下图所示、PGA855在2V 振幅下支持2MHz 输入信号、但放大器将接近其压摆率限值、从而导致失真... 但是、如果您的应用需要在 fin=2MHz 下具有非常低的失真性能、或需要更高的输出振幅信号、则应用将需要比10MHz 更快的放大器。 请参阅图7-41、 PGA855数据表中的大信号阶跃响应与频率间的关系：
在大多数情况下、由于所有这些原因、电路设计人员通常将高速流水线 ADC 与带宽远高于100MHz 范围的高速、高带宽 FDA 配对使用。
谢谢。此致、
Luis
尊敬的 David：
器件可能超出其有效线性范围。
输入共模电压需要与输入级电源 VS+/VS-相差2.5V 以上的余量。 VOCM 引脚还需要与 LVDD+/LVSS-输出级电源至少1.5V 的余量。 简而言之、器件需要在±Ω 的情况下运行 双极 输入和输出电源 阻抗不匹配。
进行了深入的讨论。 连接 ADC 时、ADC 输入将需要一个最优 R-C-R 输入滤波器、如下所示、用于管线式 ADC 驱动。 使用超低电容、低正向电压的肖特基二极管进行保护。 网络上提供具有1pF 电容的肖特基二极管。
您需要将此 ADC 滤波器放置在非常靠近 ADC 输入的位置、并尽可能减小 ADC 和放大器之间的连接处的寄生电容/电感。 理想情况下、使用专用 PCB 板的是同一 PCB 板中的 PGA855和 ADC。 如果您使用单独的 PCB 板、则需要使用非常短的连接、而获得最佳性能可能是一个挑战。
如前所述、我们不会指定 PGA855在2MHz 下的 THD 性能、而是会在接下来的几天内执行测试并更新。 该器件可在10MHz 下提供平坦的小信号增益响应、失真性能与10MHz 放大器的失真性能一致。
谢谢！
Luis
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关于 PGA855输入和输出范围设计计算器：
设计人员将单元格填充为蓝色、即输入电源 VS+、VS-；输出电源 LVDD+、 LVSS-、VOCM 电压和 PGA 增益。 您可以使用 VICM 滚动条来更改输入共模电压。 输入共模(VICM)是输入的平均电压
VICM =[(IN+) +(IN-)]/2
该 计算器提供了输入共模电压与输出电压范围间的关系图。
右侧的字段显示了给定输入共模的最大和最小输入和输出电压范围、是作为电源、增益和 VOCM 电压的函数。
计算器的底图显示了"PGA855输入差分电压与输出电压间的关系"、该工具提供了作为电源、VOCM 电压和 PGA 增益输入的函数的最小/最大 OUTP 和 OutN 引脚电压范围。
您可以通过以下链接下载 PGA855 Excel 计算器工具：
https://www.ti.com/tool/download/PGA85X-INPUT-OUTPUT-RANGE-DESIGN-CALC
尊敬的 David：
下面是使用 PGA855EVM 进行的快速测量。 此器件由 Vs+/Vs-=±5V (输入电源)供电；LVDD+/LVSS-= ±5V (输出级电源、VOCM 驱动至+0.9V。 删除了 PGA855EVM 滤波器输入电容器(C6、C13、C10)、 删除了 PGA855EVM 滤波器输出电容器(C7、C8、C11)。 输入信号为2MHz ±1Vp (2Vpp 差分)。
在提供预期的小信号响应的情况下、小信号响应(100mVpp 差分)看上去一切正常、此处是一个没有输入或输出滤波器的2MHz PGA855 osc 图；G=1 (预期的小信号响应在其他增益下观察到、并且16A 函数发生器会产生一些噪声、但在这个快速2MHz 测量中不会滤除)
对于大信号响应、PGA855 OUT+和 OUT-示波器图如下所示、显示了2MHz 下的预期2MHz ±500mVp (1Vpp 差分)输出信号。 然而,我应该提到,如果我把信号增加 到接近2Vpp 差分在2 MHz ,我已经得到了 PGA855大信号转换限制,并可能开始看到放大器输出波形显示失真的迹象. 这并不奇怪、因为 PGA855数据表图图7-41中显示的这一点、在2V 差分信号下、您刚好处于极限。
为了快速估算 HD2和 HD3、我在实验室中的信号函数发生器和 PGA IN+输入之间使用了一个现成的1MHz 带通滤波器(无源 LC 滤波器)。 PGA855输出通过高速、低噪声、低失真放大器(LMH6629)进行缓冲并馈送到频谱分析仪中。
PGA855示波器输出测量结果如下所示、展示了预期1MHz ±1Vp (2Vpp 差分)输出信号的低噪声：
1MHz ±1Vp (2Vpp 差分)输出信号下的 HD2和 HD3低于、HD2约为-65dB、HD3约为-60.5dB。
总结：
-数据表上显示的小信号频率响应在移除 RC 滤波器后很好地测量了 EVM。
-关于大信号,如果您需要2Vpp 1MHz 信号,该设备测量的失真水平为-55dB 到-60dB ,正如我们之前估计的。
-当频率为2MHz, 1Vpp 时, 响应良好,没有任何明显的严重失真。
-但是,当您 在 fin = 2MHz 下开始在1.5Vpp 到2Vpp 之间增加振幅时,PGA855输出信号会显示失真的迹象。 这是预期行为、因为您会遇到器件的压摆率限制、并且其中的响应不是最优。
希望这对您有所帮助、
谢谢、此致、
Luis
尊敬的 David：
µs、我们要替换的 THS7001 (100MHz (-3dB)、压摆率=175V/μ s)高速 PGA 比 PGA855快一个数量级。
PGA855 (10MHz、µs 率= 35V/μ s)不被视为高速放大器；这是一款高精度仪表放大器、适用于带宽更低的应用。 高频 µs 的失真性能限制不仅是由于小信号带宽限制、还由于35V/μ s 的压摆率限制 . 请参阅图7-41"大信号阶跃响应与频率间的关系"。 2Vpp、2MHz 信号振幅接近大信号阶跃响应边界、而接近边界的正弦信号将 在输入信号振幅/频率开始达到转换率限值时显示失真下降。
正如我们讨论过的、我在2Vpp 1MHz 下测量了 HD3 (在-55dB 到-60dB 之间)； 还测量了在2Vpp 2MHz 下的显著失真下降。 这是由于压摆率限制(除了10MHz BW 限制)、无论您使用 ±15V 电源还是±5V 电源都是如此。
PGA855 (10MHz、压摆率= 35V/μ s)µs 用于直流精度/高分辨率 SAR 和 Δ-Σ ADC、支持在10s KHz 至~100kHz 范围内处理交流信号时具有良好的交流性能。 应将该器件与同类其他高精度仪表放大器进行比较。
µs µs 的高速 PGA、例如 THS7001 (100MHz (-3dB)、压摆率=175V/μ s)和 PGA870 (600MHz、 压摆率=2900V/μ s)、这些 PGA 可以提供显著更高的 BW 和压摆率、并指定高得多的频率下的失真；在2MHz 下产生非常低的失真结果。 这些是用于驱动高速管线式 ADC 的最佳器件。
谢谢！
Luis
