SiGe差分放大器在几百MHz驱动高速ADC

　　在过去的几年里，模数转换器的性能取得了极大的进步。目前，12位、14位、甚至16位ADC的采样速率都远远超过了100Msps。LTC6?00差分放大器专为以这样一种方式来驱动这些高性能ADC输入而设计，即：在采用一个3V或3.3V低电源电压的情况下保持其卓越的低噪声特性和高线性度性能。

　　IF采样

　　除了采样频率有所提高之外，ADC的模拟输入频率范围也得到了大幅度的扩展。过去，人们只能采用输入频率不超过二分之一采样频率的ADC，这样的日子一去不复返了。您或许要问：Harry Nyquist会不会因此感到忐忑不安？回答是：未必。一般情况下，把经过数字化处理的总信号带宽限制为采样频率的1/2仍然不失为一个好主意。然而，并没有人说必须把该带宽范围的起点置于DC。例如：当采用一个100Msps ADC时，可以对那些被带限于150MHz至200MHz之间的信号进行数字化处理。虽然总带宽依旧为50MHz（即采样频率的一半），但工作时的输入频率却高得多了。

　　在新式通信接收器系统中，上述的做法被称为IF采样或欠采样。采用一个下变频混频器（比如：LT5557）将RF输入信号向下混频至一个IF频率。该IF频率被数字化，而且所有的后续处理均以数字方式来进行。为了使它在未来无线基站的高性能接收器系统中奏效，用于处理IF频率的模拟信号通路必须具有高线性度和低噪声。LTC6?00以一种电路板空间和功率利用率均很高的方式满足了这一需求。

　　前所未有的性能

　　图1示出了交调失真与输入频率的关系曲线（对于一个2VP-P输出信号）。LTC6?00实现了-90dBc（在高达140MHz的频率条件下）和-70dBc（在高达几百MHz的频率条件下）的失真度。过去，此类性能只能采用功率高得多的RF增益部件（它们通常甚至不是差分型的）来实现。图2示出了等效OIP3（三阶输出截取点），它是一个用于表示输出线性度（与信号电平无关）的RF品质因数。

　　图1：LTC6?00可在高达几百MHz的频率条件下保持低交调失真，从而为实现高性能IF采样应用创造了条件

　　图2：LTC6?00等效输出IP3超过50dBm（在高达100MHz的频率条件下）和40dBm（在高达250MHz的频率条件下）

　　除了失真之外，IF ADC驱动器另一个重要的性能要求是低噪声贡献。LTC6?00基于一个输入噪声密度非常低（1nV/√Hz）的差分运算放大器。内部200Ω差分输入电阻器不可避免地会增加一些属于自己的噪声，因而产生了2.1nV/√Hz的总参考输入噪声密度。

　　在RF方面，当在一个匹配的200Ω系统中进行终接时，这将转化为一个仅6.1dB的噪声系数。在一个接收器序列中，由于LTC6?00通常是位于ADC之前的，因此在它之前会有其他的增益部件。为了表示某个元件对整个接收器的实际输入的噪声贡献，可将之除以位于其之前的增益。因此，LTC6?00的低噪声系数（6.1dB）为实现具有非常低噪声的接收器设计创造了条件。

　　考察噪声的另一种方法是依据SNR（信噪比）。LTC6?00-20的输出噪声密度为21nV/√Hz（因为增益为10V/V）。如果输入信号带宽被限制为宽大的 50MHz，则将总??生148μVRMS的累积噪声。这实现了74dB SNR（相对于一个2VP-P全标度信号），与常用的14位ADC（比如：LTC2249）相兼容。

　　深入了解

　　LTC6?00差分放大器是采用一种先进的互补双极型锗化硅（SiGe）工艺制造的。由于锗原子比硅原子大，因此，有选择地把一些锗添加至另一种硅工艺中将在材料的晶体结构内部诱发应力。这种应力实际上会产生有益的电特性，比如：载流子迁移率的提高和更加精准的基极宽度控制，从而允许实现速度更快的晶体管。

　　图3：LTC6?00组合了一个非常高速的差分运算放大器和片内反馈电阻器

　　图3示出了LTC6?00的方框图。其部分是一个非常高速的差分运算放大器。快速晶体管与流水线型电路拓扑结构的组合造就了一个增益带宽乘积超过3GHz（相对于单位增益稳定的传递函数）的运算放大器。而且，所有的反馈电阻器均被集成在器件之中。除了具有明显的空间节省作用之外，反馈网络的集成还在设计方面带来了诸多的好处：

　　●运算放大器的直接输入端上的敏感求和节点不容易受到难以预测的电路板布局变化的影响，这使得我们能够细致地控制该节点上寄生电容的大小。否则，即使该节点上的寄生电容小至100fF（例如：因电路板印制线、封装引脚或焊盘所致），也将在反馈网络的环路增益中引发无用的极点。

　　●如果反馈电阻器位于芯片之外，则将在反馈环路中布设两组焊线（位于运算放大器的输出和输入端）。片内电阻器免除了焊线或与运算放大器输入相关联的引线电感，而运算放大器输出端上的引线电感则位于反馈环路以外。在3GHz以及更高的频率条件下，即使是1nH的小电感也会产生显著的阻抗和相移，这将使可实现的速度和性能再度受到限制。

　　●由于增益为固定值且大于1，因此可以在内部对运算放大器进行去补偿，以在一个给定的闭环配置中实现尽可能大的开环增益。开环增益越大，反馈对非线性元件所能起到的抑制作用就越强。此外，这种补偿方法还保持了很宽的-3dB带宽（即使在增益很高的情况下），如图4所示。

　　图4：在内部对内置于LTC6?00-20中的运算放大器进行去补偿，这样，即使闭环增益为10V/V（20dB），闭环 -3dB带宽仍然达到了可观的1.8GHz

　　应用实例

　　图5示出了采用LTC6?00来驱动LTC2208（16位130Msps ADC）的一个典型实例。在该场合中，输入信号是单端的，并通过一个DC隔离电容器而被加至LTC6?00的+IN输入。（稍做处理，也可对信号进行DC耦合，前提是DC电压位于放大器的输入共模范围以内。）由图3可以很容易地看出：LTC6?00-20的输入阻抗为200Ω（差分）。66.5Ω的输入电阻器将总输入阻抗改变为50Ω，旨在实现与一个50Ω源阻抗的匹配。或者，也可以采用一个1:4变压器来使放大器与一个50Ω负载相匹配。在其他场合中，源阻抗可能已经为200Ω，因而无需额外的元件。布设于-IN输入端上的29Ω电阻器负责提供一个用于内部运算放大器的平衡终端。

　　图5：LTC6?00能够利用极少的外部元件来驱动高性能ADC

　　LTC6?00和ADC采用同一个3.3V电源来供电，从而免除了增设另一个电源轨的需要。它也可以采用一个3V电源轨。其他的驱动器解决方案需要5V或更高的电源轨来驱动ADC至拥有高性能的全标度。

　　LTC2208系列ADC希望其输入的摆动以一个1.25V的共模电压为中心。LTC6?00使得该目标的实现变得很容易：只需把ADC的VCM引脚连接至LTC6?00的VOCM引脚即可，而放大器的内部共模反馈环路将确保输出的摆动以施加至VOCM引脚的电压值为中心。对于那些偏爱使用1.5V共模电压的ADC，接口是相同的。

　　相关器件

　　LTC6?01-20是LTC6?00-20的一款低功率版本。在3V或3.3V电压条件下，LTC6?01-20的电流消耗仅为45mA。这两款放大器的引脚是兼容的，并且具有相同的低噪声性能。在高达140MHz的频率条件下，LTC6?01均保持了超卓的线性度，而功耗则仅为LTC6?00的一半。

　　结论

　　通过一种新型SiGe工艺与谨慎、创新型设计的结合，LTC6?00在高频条件下提供了前所未有的性能（采用3V或3.3V的低工作电源电压）。纤巧的9mm2无引线封装、再加上数目极少的外部元件，使得能够把驱动器直接布设在ADC的输入端上，从而提供了的性能和紧凑的电路板布局。对差分输出进行了独特的优化，旨在直接驱动具高线性度的先进高速ADC，而低输入噪声则保持了高性能接收器系统的灵敏度。