引言

需要使用宽带精密数据采集电路 (DAQ) 来测量信号振幅在短时间内快速变化的模拟信号。即使是用于测量低频或直流信号的电路也需要一个宽带精密数据采集电路，这是因为信号多路复用器从一个输入通道变为另一个输入通道会导致输出发生阶跃变化，如所 图 1 示。

在某些应用中，模拟输入信号具有高频成分，因此数据采集电路需要宽带。宽带精密数据采集电路可用于分析电动汽车牵引逆变器功率和测试近场热震。

1MHz 的 DAQ 电路

图 3 中的电路包括一个 ADC (ADS9219) 和一个 ADC 驱动器 (THS4541)。该 ADC 驱动器和 ADC 电路针对配置了 1MHz 带宽的信号进行了低失真和低噪声优化，从而使该电路非常适合宽带数据采集系统。

元件选型

用于驱动模数转换器 (ADC) 模拟输入的电路需要足够的带宽（通常远大于信号带宽），以处理 ADC 开关电容器输入的反冲。不过，放大器会产生宽带电压噪声（通常在放大器数据表中指定为电压噪声密度），该噪声会导致信噪比 (SNR) 随着电路带宽的增加而降低。因此，在驱动 ADC 的模拟输入时，可以在低噪声（较低带宽）和低失真（较宽带宽）之间进行权衡。如果模拟输入信号为高频信号（这本质上需要宽带电路），则折衷会更加明显。

图 4 和 图 5 图形所示的是两个全差分放大器的总谐波失真(THD)与频率的比较情况：分别是THS4551 和 THS4541。THS4541 在 1MHz 时提供 –120dB 的低谐波失真。因此，该放大器是设计低失真和宽带信号链的理想选择。

选择 ADC 时，采样率和模拟输入带宽能足以将宽带信号或可在多路复用器输出端看到的快速变化信号数字化。根据奈奎斯特定理，ADC 的采样率为模拟输入信号带宽的两倍。不过，实际上，ADC 采样率需要比信号带宽大得多，才能获得足够数量的数据点以进行后期处理。此外，ADC 的模拟输入带宽需要足够大，以便可靠地对快速变化或高频模拟输入信号进行采样。

与 1MHz 上的模拟输入信号带宽相比，使用快得多的 ADC 所面临的挑战是 ADC 驱动器设计在低失真和低噪声之间实现平衡变得非常复杂。这是因为 ADC 输入驱动器必须具有高带宽，才能在两次连续采样之间为 ADC 的采样电容器充满电，从而保持低失真。ADS9219 配有一个集成式 ADC 驱动器，其模拟输入带宽大于 45MHz，这表明外部电路无需为 ADC 的采样电容器充电，并且 ADC 配有足够的模拟输入带宽，可靠地对1MHz 模拟输入信号进行数字化。

由于 ADS9219 配有集成式 ADC 驱动器，因此 THS4541 电路需要有足够的带宽，以便为 1MHz 模拟输入提供低失真。电路优化 中所述的电路是一个宽带数据采集电路的示例，该电路针对高达 1MHz 的模拟输入信号的低噪声和低失真进行了优化。

电路优化

为了提高 图 3中所示电路的性能，进行了以下设计优化：

1. THD 优化 – 为了提高电路的 THD，将反馈电阻器设置为 1kΩ 且将 Z_LOAD 设置为 270pF，以此增加R_LOAD 。
2. SNR 优化–THS4541 电路的反馈网络生成白噪声，因此添加了270pF 差分电容器和 22pF 反馈电容器以限制信号链噪声带宽。
3. 放大器稳定性–为了提高相位裕度和稳定性，增加了与反馈电容器串联的 50Ω 电阻器。

测量结果

THS4541 和 ADS9219 电路采用 1MHz 模拟输入信号进行了测试。该电路的 SNR 为 94.9dBFS 且 THD 为 –104.2dB，如 图 6 所示。THS4541 和 ADS9219 电路具备这种低噪声和低失真的优势，非常适合用于需要高保真信号处理的系统，例如宽带数据采集系统。