在電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的前端輸入配置是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，它直接關(guān)系到信號(hào)采集的精度、穩(wěn)定性和可靠性。ADC前端輸入配置的選擇不僅需要考慮信號(hào)的特性、系統(tǒng)的需求，還需要兼顧成本、功耗以及實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。本文將深入探討ADC前端輸入配置的幾種常見(jiàn)方式，包括單端輸入、差分輸入、偽差分輸入以及使用運(yùn)算放大器進(jìn)行信號(hào)調(diào)理的配置，旨在為設(shè)計(jì)者提供全面的指導(dǎo)和建議。

?ADC前端輸入配置方式主要包括單端輸入、差分輸入和偽差分輸入，每種方式都有其適用場(chǎng)景和優(yōu)缺點(diǎn)。?

單端輸入

?單端輸入是最簡(jiǎn)單、最直接的輸入方式?，適用于信號(hào)源為單端輸出且對(duì)噪聲抑制要求不高的場(chǎng)合。?單端輸入的優(yōu)點(diǎn)是成本低、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單?，但缺點(diǎn)是容易受到共模噪聲的干擾，影響信號(hào)的采集精度。為了減小共模噪聲的影響，可以采取一些措施，如使用屏蔽電纜、在信號(hào)源和ADC之間加入濾波器等，但這些措施可能會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本?。

差分輸入

?差分輸入利用兩個(gè)輸入端接收信號(hào)的正負(fù)分量，從而有效地抑制共模噪聲?。差分輸入的優(yōu)點(diǎn)是噪聲抑制能力強(qiáng)、信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍大，適用于對(duì)信號(hào)精度和穩(wěn)定性要求較高的場(chǎng)合。?差分輸入配置的實(shí)現(xiàn)相對(duì)復(fù)雜?，但能夠提供更高的信號(hào)質(zhì)量和穩(wěn)定性?1。差分輸入要求信號(hào)源能夠提供差分輸出，或者通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路將單端信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)?。

偽差分輸入

?偽差分輸入是一種介于單端輸入和差分輸入之間的折衷方案?。它利用一個(gè)輸入端接收信號(hào)，另一個(gè)輸入端連接到地或參考電壓，從而模擬差分輸入的效果。偽差分輸入的優(yōu)點(diǎn)是成本較低、實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單，但噪聲抑制能力介于單端輸入和差分輸入之間。偽差分輸入適用于信號(hào)源為單端輸出但對(duì)噪聲抑制有一定要求的場(chǎng)合。通過(guò)選擇合適的電阻和電容值，可以優(yōu)化偽差分輸入的性能，使其在滿足噪聲抑制需求的同時(shí)保持較低的成本和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度?。

### 一、單端輸入配置

單端輸入配置是最簡(jiǎn)單、最直接的輸入方式，適用于信號(hào)源為單端輸出、且對(duì)噪聲抑制要求不高的場(chǎng)合。在這種配置中，ADC的輸入端直接連接到信號(hào)源，無(wú)需額外的信號(hào)調(diào)理電路。單端輸入的優(yōu)點(diǎn)是成本低、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但缺點(diǎn)是容易受到共模噪聲的干擾，影響信號(hào)的采集精度。

為了減小共模噪聲的影響，可以采取一些措施，如使用屏蔽電纜、在信號(hào)源和ADC之間加入濾波器等。然而，這些措施可能會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本。因此，在選擇單端輸入配置時(shí)，需要權(quán)衡噪聲抑制需求和系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本之間的關(guān)系。

### 二、差分輸入配置

差分輸入配置是另一種常見(jiàn)的ADC前端輸入方式，它利用兩個(gè)輸入端接收信號(hào)的正負(fù)分量，從而有效地抑制共模噪聲。差分輸入的優(yōu)點(diǎn)是噪聲抑制能力強(qiáng)、信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍大，適用于對(duì)信號(hào)精度和穩(wěn)定性要求較高的場(chǎng)合。

在差分輸入配置中，ADC的輸入端通常設(shè)計(jì)為差分對(duì)的形式，即兩個(gè)輸入端分別接收信號(hào)的正負(fù)分量。這種配置要求信號(hào)源能夠提供差分輸出，或者通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路將單端信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)。差分輸入配置的實(shí)現(xiàn)相對(duì)復(fù)雜，但能夠提供更高的信號(hào)質(zhì)量和穩(wěn)定性。

### 三、偽差分輸入配置

偽差分輸入配置是一種介于單端輸入和差分輸入之間的折衷方案。它利用一個(gè)輸入端接收信號(hào)，另一個(gè)輸入端連接到地或參考電壓，從而模擬差分輸入的效果。偽差分輸入的優(yōu)點(diǎn)是成本較低、實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單，但噪聲抑制能力介于單端輸入和差分輸入之間。

偽差分輸入配置適用于信號(hào)源為單端輸出，但對(duì)噪聲抑制有一定要求的場(chǎng)合。通過(guò)選擇合適的電阻和電容值，可以優(yōu)化偽差分輸入的性能，使其在滿足噪聲抑制需求的同時(shí)，保持較低的成本和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。

### 四、使用運(yùn)算放大器進(jìn)行信號(hào)調(diào)理的配置

在某些場(chǎng)合，信號(hào)源輸出的信號(hào)可能不適合直接輸入到ADC中，需要進(jìn)行信號(hào)調(diào)理。運(yùn)算放大器作為一種重要的信號(hào)調(diào)理元件，在ADC前端輸入配置中發(fā)揮著重要作用。通過(guò)使用運(yùn)算放大器，可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大、衰減、濾波、電平轉(zhuǎn)換等功能，從而滿足ADC輸入的要求。

在使用運(yùn)算放大器進(jìn)行信號(hào)調(diào)理時(shí)，需要考慮運(yùn)算放大器的性能參數(shù)，如增益、帶寬、噪聲、穩(wěn)定性等。選擇合適的運(yùn)算放大器對(duì)于保證信號(hào)調(diào)理的效果和ADC的采集精度至關(guān)重要。此外，還需要注意運(yùn)算放大器的輸入阻抗和輸出阻抗對(duì)系統(tǒng)性能的影響，以及運(yùn)算放大器與ADC之間的匹配問(wèn)題。

基本輸入接口考慮

采用高輸入頻率、高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一 項(xiàng)具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。ADC輸入接口設(shè)計(jì)有6個(gè)主要條件： 輸入阻抗、輸入驅(qū)動(dòng)、帶寬、通帶平坦度、噪聲和失真。

輸入阻抗

輸入阻抗是設(shè)計(jì)的特征阻抗。ADC的內(nèi)部輸入阻抗取決于 ADC架構(gòu)的類(lèi)型，ADC供應(yīng)商會(huì)在數(shù)據(jù)手冊(cè)或產(chǎn)品頁(yè)面上 提供這一數(shù)據(jù)。電壓駐波比(VWSR)與輸入阻抗密切相 關(guān)，衡量目標(biāo)帶寬內(nèi)反射到負(fù)載中的功率量。該參數(shù)設(shè)置 實(shí)現(xiàn)ADC滿量程輸入所需的輸入驅(qū)動(dòng)電平，因此很重要。 當(dāng)源阻抗與負(fù)載阻抗相等時(shí)，發(fā)生最大功率傳輸

輸入驅(qū)動(dòng)

輸入驅(qū)動(dòng)與帶寬特性相關(guān)，可設(shè)置特定應(yīng)用所需的系統(tǒng)增 益。輸入驅(qū)動(dòng)電平應(yīng)在前端設(shè)計(jì)開(kāi)始之前確定，取決于所 選的前端器件，如濾波器、變壓器和放大器等。

帶寬和通帶平坦度

帶寬是系統(tǒng)要使用的頻率范圍。通帶平坦度是指定帶寬內(nèi) 的波動(dòng)量;引起波動(dòng)的原因可能是紋波效應(yīng)，或者是巴特 沃茲濾波器的慢速滾降特性。通帶平坦度通常小于1 dB，對(duì) 于設(shè)置整體系統(tǒng)增益至關(guān)重要。

噪聲

信噪比(SNR)和失真要求對(duì)ADC的選擇有幫助，因而一般 在設(shè)計(jì)早期確定。轉(zhuǎn)換器看到的噪聲量與其自己的噪聲量 之比即為SNR。SNR與帶寬、信號(hào)質(zhì)量(抖動(dòng))和增益相關(guān)。 提高增益也會(huì)提高與之相關(guān)的噪聲成分。

失真

失真由無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)來(lái)衡量，SFDR指rms滿量程 與峰值雜散頻譜成分的rms值之比。SFDR主要受兩個(gè)因素 的控制。第一個(gè)因素是前端平衡質(zhì)量的線性度，它主要與 二次諧波失真有關(guān)。第二個(gè)因素是所需的增益和輸入匹 配。較高的增益要求會(huì)提高匹配難度。此外，高增益要求 會(huì)壓縮ADC內(nèi)部器件的裕量，從而提高非線性度，而且由 于有更多功率經(jīng)過(guò)外部無(wú)源器件，它們的非線性度也會(huì)提 高。這種效應(yīng)一般被視為三次諧波。

變壓器耦合前端

一般說(shuō)來(lái)，變壓器耦合前端能夠驅(qū)動(dòng)較高中頻而無(wú)顯著損 耗，具有更寬的帶寬，功耗更低，并能提供固有的交流耦 合。多匝比率變壓器還能提供無(wú)噪聲增益。另一方面，設(shè) 計(jì)具有較高阻抗/匝數(shù)比的變壓器耦合前端可能很困難，因 為這會(huì)降低帶寬、幅度，引起相位不平衡，有時(shí)還會(huì)使通 帶紋波性能下降。 將變壓器用于ADC前端時(shí)，必須記住：任何兩個(gè)變壓器都 不會(huì)完全相同，即使其數(shù)據(jù)手冊(cè)看起來(lái)一樣。例如，1:1阻 抗比并不意味著次級(jí)端阻抗為50 Ω。要么使用數(shù)據(jù)手冊(cè)中的 回波損耗數(shù)據(jù)，要么利用ENA測(cè)量。變壓器數(shù)據(jù)手冊(cè)上的 帶寬一般應(yīng)減半使用，因?yàn)樽儔浩魍ǔＪ窃诶硐霔l件下利 用PCB提取技術(shù)測(cè)量。增益大于1:1阻抗比的變壓器，其帶 寬更低，而且更難使用。當(dāng)頻率高于150 MHz時(shí)，由于變壓 器固有的相位不平衡，HD2開(kāi)始升高。為解決這個(gè)問(wèn)題， 應(yīng)使用兩個(gè)變壓器，或者使用一個(gè)更好的變壓器。

有源耦合前端網(wǎng)絡(luò)

大多數(shù)有源耦合前端網(wǎng)絡(luò)使用放大器。 針對(duì)交流和直流耦合應(yīng)用選擇放大器時(shí)，應(yīng)考慮以下幾 點(diǎn)： ?

共模問(wèn)題，工作電壓低至1 VCM ?

電源問(wèn)題(輸入范圍是多少?輸出范圍是多少?) ?

某些放大器只能用于交流耦合 ?

輸出端串聯(lián)電阻使放大器保持穩(wěn)定(5 Ω至10 Ω) ?

遵守?cái)?shù)據(jù)手冊(cè)中的布局布線指南：

消除第二層上的地以 保持低輸出電流，并且避免振蕩。