LT6018 是一款具超低失真 (在 1kHz 為 –115dB) 的超低噪聲 (在 1kHz 為 1.2nV/√Hz) 運算放大器。該器件擁有 15MHz 的增益帶寬積、50μV 的最大失調電壓和 0.5μV/°C 的最大失調電壓漂移。這種特性組合使之適合于驅動多種高分辨率模數轉換器 (ADC)。當采用 LT6018 驅動高速 18 位和 20 位逐次逼近寄存器 (SAR) ADC 時，怎樣實現最佳的信噪比 (SNR) 和總諧波失真 (THD) 呢? 本 “設計要點”給出了相應的電路和優化策略。

超線性 20 位 ADC

圖 1 示出了 DC2135A 演示電路的一處修改，用 LT1068 (替換了 LT1468) 驅動 LTC2378-20 20 位 SAR ADC。LTC2378-20 因其無可比擬的 2ppm 線性性能而引人注目。在保持線性度的同時產生一個差分信號的最佳方法是在該演示板所使用的 LT5400 中采用精準的匹配電阻器。圖 1 所示電路的詳細工作原理請見 “設計要點 1032” (在該設計要點中是用 LT1468 驅動 LTC2377-20)。

圖 1：DC2135A 演示板設置

如欲測量該電路的線性度，則把一個超純正弦波饋入輸入端，并在輸出端計算 FFT。最終的 THD 測量值充當電路 INL (積分非線性) 性能的代表。在 800kHz 的 ADC 采樣速率下，我們使用一個約 100Hz 的輸入頻率 (略作調整以確保相干采樣，從而放寬 FFT 數值限制)。

原來的演示電路包括一個緊接在運放之后的 RC 低通濾波器，以濾除過量的高頻噪聲。LT6018 的噪聲密度甚至在高頻條件下也保持在相對較低的水平，因此去掉這個濾波器對總噪聲的影響可以忽略不計。如果沒有該濾波器，則線性度 (按 THD 來衡量) 顯著地改善，這是因為單端至差分轉換現在完全受控于 LT5400 中的精確匹配電阻器，不會受到任何匹配不佳的分立組件的損壞。

LT6018 的低噪聲密度使其適合需要增益的電路。當配置在增益為 10 的情況下，信號強度增加 20dB，而 SNR 下降 2dB (相對于全標度)。如果輸入信號很小，則這種布置可使有效信噪比改善 18dB。正如預料的那樣，線性度的降幅與放大器環路增益相同，即大約 20dB。

結果歸納于表 1。

表 1：LT6018 驅動 LTC2378-20 的 SNR 和 THD 結果

驅動一個高速 18 位 ADC

LTC2387-18 是一款采樣速率可高達 15Msps 的 18 位 SAR ADC。在該采樣速率下，ADC 的內部采樣電容器連接至放大器輸出端的持續時間少于 30ns (“采集時間”)。在這段時間里，放大器 (和濾波器) 電路必須從電荷回踢狀態恢復并補充采樣電容器的電荷，于是 ADC 能夠在下一個轉換周期測量正確的輸入電壓。放大器和濾波器網絡的謹慎優化是有必要的。

在圖 2 中，兩個 LT6018 被配置為單位增益跟隨器，并連接至 LTC2387-18 演示板，該演示板在 ADC 輸入端布設了濾波電阻器和電容器。

圖 2：LT6018 驅動 LTC2387-18 (采用 DC2290A-A 演示板)

表 2 列出了 SNR 和 THD 結果，測量條件是：在輸入端饋入一個 1.008kHz 的純正弦波，而 ADC 的相干采樣速率為 14.680Msps。第一個表項給出的是采用 LT6200 放大器 (一款非常高速的低噪聲運放) 時的結果。濾波器配置是大約 200MHz 的演示板默認帶寬。這提供了 ADC 電荷回踢的完全穩定，從而獲得 –120dB 的卓越 THD 指標。不過，SNR 比 ADC 的 96dB 能力低 2dB。

表 2：LT6018 驅動 LTC2387-18 的 SNR 和 THD 結果

LT6018 的帶寬低于 LT6200，但是 DC 準確度 (失調和漂移) 則好得多。然而，把 LT6018 插入和 LT6200 相同的配置卻顯著地降低了 SNR 和 THD 性能。SNR 指標下降的原因是：與低于其帶寬的時候相比，在高于其帶寬的情況下放大器噪聲密度會較高，而且該噪聲如果未被濾除則將混疊到 ADC 中。THD 指標的劣化則是因為速度較慢的放大器在遭受大量的 ADC 電荷回踢之沖擊時不會完全地穩定，并且把非線性殘余物留給 ADC 去進行數字化處理。

我們可以通過增加電阻器和電容器的數值，以及在兩個 ADC 輸入之間布設一個差分電容器來濾除寬帶放大器噪聲。這么做可把 SNR 一直改善到該 ADC 的理論最大值 96dB，這意味著積分放大器噪聲已變得可忽略不計。此外，通過使濾波器配置向采用較小串聯電阻器和較大電容器的方向傾斜，可減弱電荷回踢的初始影響，從而改善 THD 性能 (遠低于 –100dB)。

結論

新式 SAR ADC 組合了低噪聲與高線性度和精準的 DC 偏移準確度。實現這些性能指標需要采用一個具有同樣好的 DC 規格參數、低噪聲和充足帶寬的放大器，比如 LT6018。借助中等速度 ADC (例如：1Msps 20 位 LTC2378-20)，LT6018 結合精準匹配的 LT5400 電阻器能夠產生一個差分輸入信號，并不需要額外的濾波。當采用超快速 SAR ADC (如 18 位 15Msps LTC2387-18) 時，通過對一個介于運放和 ADC 之間的 RC 濾波器網絡的謹慎優化可實現超卓的噪聲和線性性能。