设计更高频率的有源滤波器来驱动差分输入高速ADC

随着更新的精密全差动放大器(FDA)提供超过800Mhz的增益带宽积(GBW),有源滤波器设计的可用频率范围与ADC的最后一级接口相结合已经超出了传统文献的建议。稳步改进放大器选择和GBW的RC值调整程序,增加了这些有源滤波器的频率应用范围。这里将描述最近> 30MHz的有源滤波器设计,并进行更新以更精确地拟合所需的响应形状。

示例设计驱动低功耗,四通道,12位,50MSPS ADC

在最近的(2016)参考设计(2)中可以找到使用THS4541(1)FDA 将JFET输入级结合到4阶单级到差分级的完整设计。最后一次迭代(第8​​节,参考文献2)在ADC输入端的无源​​二阶RLC滤波器之前,将另一对极点添加到FDA阶段,作为多馈反馈(MFB)有源滤波器。这两级二阶滤波器旨在实现20Mhz(F -3dB)的四阶贝塞尔滤波器。可以在Intersil滤波器设计器(3)中找到滤波器目标的一个来源。在这里,我们只需要F o 如图1所示,每个二阶滤波器阶段的Q和Q.这个工具似乎是现有的唯一支持有效滤波器实现中频率如此高的供应商工具,尽管这个(或任何)供应商工具中没有FDA。

图1

从Intersil Active Filter Designer过滤阶段目标(3)。
从Intersil Active Filter Designer过滤阶段目标(3)。

作为MFB滤波器设计,第一对极易于添加到THS4541 FDA单极到差分级。第二对在ADC输入端实现为无源差分RLC滤波器。图2显示了该原始设计的TINA(4)仿真电路。在此设计时,未使用标准RC值选择 - 此处也将添加该步骤。

图2

点击此处查看大图原始4阶贝塞尔设计模拟到ADC输入(参考文献2,第20页)

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原来的4 个阶Bessel设计模拟到ADC输入(参考文献2,第20页)

该整体低通滤波器旨在以20Mhz F -3dB进行DC衰减。模拟结果表明,在约20.9Mhz时略微偏离。通过这个4阶滤波器对这个单端JFET输入到差分ADC驱动器的基准测试表明了图3的优异性能。

图3

点击此处查看大图原始电路+ ADC的满量程5MHz输入FFT,显示69.9dB SNR和82dB THD。

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原始电路+ ADC的满量程5MHz输入FFT,显示69.9dB SNR和82dB THD。

测试适合有源滤波器阶段的响应。

可以模拟有源滤波器级的小信号响应并将其与理想目标进行比较。将响应偏离目标的一个细微差别是用于改善该设计中的相位裕度的差分输入电容(C2,图2)。该THS4541不是单位增益稳定(图1,参考文献1)和该电容器在过渡环增益X-OVER(参考文献5)的交流噪声增益到较高的水平。图2中的高频噪声增益由输入差分电容(加倍使其单端)除以反馈电容(1+(2 * 5.2pF)/3.6pF = 3.9V / V)设置。这种更高的噪声增益(以提高相位裕度)有效地降低了THS4541的850MHz GBW31Mhz有源滤波器实现中的218Mhz。这种适度的GBW余量肯定会表明GBW RC调整流量可能有用。测量图2中FDA输出端的模拟响应(保持RLC滤波器负载到位)并与理想响应进行比较,得到图4。

图4

FDA过滤阶段响应与理想目标。
FDA过滤阶段响应与理想目标。

峰值(Q)高于目标值可以解释整体F -3dB带宽高于预期。这个原始设计在36.6Mhz 时产生的F -3dB与预期的35.7Mhz相比。提取模拟的响应详细信息并与预期设计进行比较,可以显示图5中的大拟合误差。

图5

点击此处查看大图提取Fo和Q的贴合度。

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在F o和Q 上提取拟合的贴近度。

改进MFB阶段设计调整GBW的RC值

图2的设计是在没有对RC值应用更复杂的GBW调整流程的情况下完成的。使用包括放大器GBW(参考文献6)的立方极点表达式的这种流程可以在这里有效地应用于微调RC值,从而可能改善对目标的拟合。如(6)中所述,在三次多项式系数中包括运算放大器结点噪声增益调谐电容器是可能的,而不改变传递函数的阶数。这将是必要的,以应用非单一增益稳定的FDA。图6显示了略微修改的RC值,这将使这种相对高频率的设计更加贴合。

图6

点击此处查看大图在THS4541有源滤波器级中修改RC值,以调整GBW和C2。

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在THS4541有源滤波器级中修改RC值以调整GBW和C2。

将这些RC值置于理想运算放大器的二阶MFB响应提取中似乎是错误的。但是,图7显示THS4541 850Mhz GBW和FDA输入引脚上的5.2pF C2 非常成功地进行了调整。

图7

更新了MFB滤波器设计响应与理想值。
更新了MFB滤波器设计响应与理想值。

这里使用的最佳拟合RC标准值算法仅关注F o和Q拟合,并且如果改善滤波器拟合,则允许DC增益关闭1-E96电阻器步长值。DC增益通常可以在另一个阶段调整回目标 - 就像本参考设计中使用的输入JFET级(2)。提取拟合参数的接近度显示了图8中的改进(与图5相比)。35.69MHz = F -3dB已经接近预期的35.73MHz。

图8

点击此处查看大图使用GBW调整的RC设计流程拟合误差。

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使用GBW调整的RC设计流程调整误差。

要完成这种重新设计以实现更紧密的配合,还可以将RLC滤波器调整为标准值,并从最终差分C中取消ADC输入电容 - 将其从精确的80pF解决方案降至下一个75pF标准值。对这个完成的重新设计进行模拟显示,在20.35Mhz处的标称拟合距离目标20Mhz F -3dB更接近,仅调整此4阶有源+无源滤波器解决方案中的RC值。

图9

单击此处查看大图更新的设计具有标准值和改进的设计适合性。

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更新设计,标准值和改进的设计适合性。

此处开发的示例RC值也应与ADI(8)中的类似ADA4932-1配合使用。

现代高速电压反馈运算放大器和FDA可提供比通常假设的更高频率的有源滤波器解决方案。目前支持GBW调整流量的唯一工具似乎是ADI过滤器向导(7)。所有当前供应商工具中似乎缺少的一些功能包括:

  1. 不允许使用衰减MFB滤波器设计 - 但实际上易于实现。
  2. 不直接支持FDAs(FilterPro(9)确实显示设计,但仅适用于理想的FDA)
  3. 不直接支持在求和点上使用电容器进行噪声增益调整以提高相位裕度。它可以作为最后一步添加,但如果最初没有包含在GBW RC调整值流中,它将与响应形状相互作用。
  4. 允许的设计频率低于当今更高速设备的可能设计频率。如果要求此解决方案,ADI过滤器向导可提供缓冲RLC设计。TI的Webench有源滤波器设计器(10)将频率条目限制在最大10MHz。

将参考设计(2)中的通道3修改为此处所示的改进的RC值将略微改善阶跃响应,因为初始设计超出了有源滤波器阶段的预期。

即使这些新的RC值提供了轻微的改进,它们也会提供更好的标称拟合目标,下一步将运行RC容差蒙特卡罗,以使响应扩散到这个更集中的名义上。ADI工具(7)也支持此功能,但不支持FDA,也不支持此频率范围。使用与预期FDA相同GBW的运算放大器的低频设计当然可以利用ADI工具中的GBW调整和蒙特卡罗扩展功能。然后,运放设计可以使用具有类似GBW的设备轻松适应FDA版本。

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