SiGe差分放大器在幾百MHz驅(qū)動高速ADC-基礎(chǔ)電子

精品文檔-下載后可編輯SiGe差分放大器在幾百MHz驅(qū)動高速ADC-基礎(chǔ)電子在過去的幾年里，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的性能取得了極大的進步。目前，12位、14位、甚至16位ADC的采樣速率都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了100Msps。LTC6?00差分放大器專為以這樣一種方式來驅(qū)動這些高性能ADC輸入而設(shè)計，即：在采用一個3V或3.3V低電源電壓的情況下保持其卓越的低噪聲特性和高線性度性能。

IF采樣

除了采樣頻率有所提高之外，ADC的模擬輸入頻率范圍也得到了大幅度的擴展。過去，人們只能采用輸入頻率不超過二分之一采樣頻率的ADC，這樣的日子一去不復(fù)返了。您或許要問：HarryNyquist會不會因此感到忐忑不安？回答是：未必。一般情況下，把經(jīng)過數(shù)字化處理的總信號帶寬限制為采樣頻率的1/2仍然不失為一個好主意。然而，并沒有人說必須把該帶寬范圍的起點置于DC。例如：當(dāng)采用一個100MspsADC時，可以對那些被帶限于150MHz至200MHz之間的信號進行數(shù)字化處理。雖然總帶寬依舊為50MHz（即采樣頻率的一半），但工作時的輸入頻率卻高得多了。

在新式通信接收器系統(tǒng)中，上述的做法被稱為IF采樣或欠采樣。采用一個下變頻混頻器（比如：LT5557）將RF輸入信號向下混頻至一個IF頻率。該IF頻率被數(shù)字化，而且所有的后續(xù)處理均以數(shù)字方式來進行。為了使它在未來無線基站的高性能接收器系統(tǒng)中奏效，用于處理IF頻率的模擬信號通路必須具有高線性度和低噪聲。LTC6?00以一種電路板空間和功率利用率均很高的方式滿足了這一需求。

前所未有的性能

圖1示出了交調(diào)失真與輸入頻率的關(guān)系曲線（對于一個2VP-P輸出信號）。LTC6?00實現(xiàn)了-90dBc（在高達140MHz的頻率條件下）和-70dBc（在高達幾百MHz的頻率條件下）的失真度。過去，此類性能只能采用功率高得多的RF增益部件（它們通常甚至不是差分型的）來實現(xiàn)。圖2示出了等效OIP3（三階輸出截取點），它是一個用于表示輸出線性度（與信號電平無關(guān)）的RF品質(zhì)因數(shù)。

圖1：LTC6?00可在高達幾百MHz的頻率條件下保持低交調(diào)失真，從而為實現(xiàn)高性能IF采樣應(yīng)用創(chuàng)造了條件

圖2：LTC6?00等效輸出IP3超過50dBm（在高達100MHz的頻率條件下）和40dBm（在高達250MHz的頻率條件下）

除了失真之外，IFADC驅(qū)動器另一個重要的性能要求是低噪聲貢獻。LTC6?00基于一個輸入噪聲密度非常低（1nV/√Hz）的差分運算放大器。內(nèi)部200Ω差分輸入電阻器不可避免地會增加一些屬于自己的噪聲，因而產(chǎn)生了2.1nV/√Hz的總參考輸入噪聲密度。

在RF方面，當(dāng)在一個匹配的200Ω系統(tǒng)中進行終接時，這將轉(zhuǎn)化為一個僅6.1dB的噪聲系數(shù)。在一個接收器序列中，由于LTC6?00通常是位于ADC之前的，因此在它之前會有其他的增益部件。為了表示某個元件對整個接收器的實際輸入的噪聲貢獻，可將之除以位于其之前的增益。因此，LTC6?00的低噪聲系數(shù)（6.1dB）為實現(xiàn)具有非常低噪聲的接收器設(shè)計創(chuàng)造了條件。

考察噪聲的另一種方法是依據(jù)SNR（信噪比）。LTC6?00-20的輸出噪聲密度為21nV/√Hz（因為增益為10V/V）。如果輸入信號帶寬被限制為寬大的50MHz，則將總??生148μVRMS的累積噪聲。這實現(xiàn)了74dBSNR（相對于一個2VP-P全標(biāo)度信號），與常用的14位ADC（比如：LTC2249）相兼容。

深入了解

LTC6?00差分放大器是采用一種先進的互補雙極型鍺化硅（SiGe）工藝制造的。由于鍺原子比硅原子大，因此，有選擇地把一些鍺添加至另一種硅工藝中將在材料的晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)部誘發(fā)應(yīng)力。這種應(yīng)力實際上會產(chǎn)生有益的電特性，比如：載流子遷移率的提高和更加精準(zhǔn)的基極寬度控制，從而允許實現(xiàn)速度更快的晶體管。

圖3：LTC6?00組合了一個非常高速的差分運算放大器和片內(nèi)反饋電阻器

圖3示出了LTC6?00的方框圖。其部分是一個非常高速的差分運算放大器?？焖倬w管與流水線型電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的組合造就了一個增益帶寬乘積超過3GHz（相對于單位增益穩(wěn)定的傳遞函數(shù)）的運算放大器。而且，所有的反饋電阻器均被集成在器件之中。除了具有明顯的空間節(jié)省作用之外，反饋網(wǎng)絡(luò)的集成還在設(shè)計方面帶來了諸多的好處：

●運算放大器的直接輸入端上的敏感求和節(jié)點不容易受到難以預(yù)測的電路板布局變化的影響，這使得我們能夠細(xì)致地控制該節(jié)點上寄生電容的大小。否則，即使該節(jié)點上的寄生電容小至100fF（例如：因電路板印制線、封裝引腳或焊盤所致），也將在反饋網(wǎng)絡(luò)的環(huán)路增益中引發(fā)無用的極點。

●如果反饋電阻器位于芯片之外，則將在反饋環(huán)路中布設(shè)兩組焊線（位于運算放大器的輸出和輸入端）。片內(nèi)電阻器免除了焊線或與運算放大器輸入相關(guān)聯(lián)的引線電感，而運算放大器輸出端上的引線電感則位于反饋環(huán)路以外。在3GHz以及更高的頻率條件下，即使是1nH的小電感也會產(chǎn)生顯著的阻抗和相移，這將使可實現(xiàn)的速度和性能再度受到限制。

●由于增益為固定值且大于1，因此可以在內(nèi)部對運算放大器進行去補償，以在一個給定的閉環(huán)配置中實現(xiàn)盡可能大的開環(huán)增益。開環(huán)增益越大，反饋對非線性元件所能起到的抑制作用就越強。此外，這種補償方法還保持了很寬的-3dB帶寬（即使在增益很高的情況下），如圖4所示。

圖4：在內(nèi)部對內(nèi)置于LTC6?00-20中的運算放大器進行去補償，這樣，即使閉環(huán)增益為10V/V（20dB），閉環(huán)-3dB帶寬仍然達到了可觀的1.8GHz

應(yīng)用實例

圖5示出了采用LTC6?00來驅(qū)動LTC2208（16位130MspsADC）的一個典型實例。在該場合中，輸入信號是單端的，并通過一個DC隔離電容器而被加至LTC6?00的+IN輸入。（稍做處理，也可對信號進行DC耦合，前提是DC電壓位于放大器的輸入共模范圍以內(nèi)。）由圖3可以很容易地看出：LTC6?00-20的輸入阻抗為200Ω（差分）。66.5Ω的輸入電阻器將總輸入阻抗改變?yōu)?0Ω，旨在實現(xiàn)與一個50Ω源阻抗的匹配?；蛘?，也可以采用一個1:4變壓器來使放大器與一個50Ω負(fù)載相匹配。在其他場合中，源阻抗可能已經(jīng)為200Ω，因而無需額外的元件。布設(shè)于-IN輸入端上的29Ω電阻器負(fù)責(zé)提供一個用于內(nèi)部運算放大器的平衡終端。

圖5：LTC6?00能夠利用極少的外部元件來驅(qū)動高性能ADC

LTC6?00和ADC采用同一個3.3V電源來供電，從而免除了增設(shè)另一個電源軌的需要。它也可以采用一個3V電源軌。其他的驅(qū)動器解決方案需要5V或更高的電源軌來驅(qū)動ADC至擁有高性能的全標(biāo)度。

LTC2208系列ADC希望其輸入的擺動以一個1.25V的共模電壓為中心。LTC6?00使得該目標(biāo)的實現(xiàn)變得很容易：只需把ADC的VCM引腳連接至LTC6?00的VOCM引腳即可，而放大器的內(nèi)部共模反饋環(huán)路將確保輸出的擺動以施加至VOCM引腳的電壓值為中心。對于那些偏愛使用1.5V共模電壓的ADC，接口是相同的。

相關(guān)器件

LTC6?01-20是LTC6?00-20的一款低功率版本。在3V或3.3V電壓條件下，LTC6?01-20的電流消耗僅為45mA。這兩款放大器的引腳是兼容的，并且具有相同的低噪聲性能。在高達140MHz的頻率條件下，LTC6?01均保持了超卓的線性度，而功耗則僅為LTC6?00的一半。

結(jié)論

通過一種新型SiGe工藝與謹(jǐn)慎、創(chuàng)新型設(shè)計