ADC驅(qū)動(dòng)器或差分放大器設(shè)計(jì)匯總

作為應(yīng)用工程師，我們經(jīng)常遇到各種有關(guān)差分輸入型高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的驅(qū)動(dòng)問題。事實(shí)上，選擇正確的ADC驅(qū)動(dòng)器和配置極具挑戰(zhàn)性。為了使魯棒性ADC電路設(shè)計(jì)多少容易些，我們匯編了一套通用“路障”及解決方案。本文假設(shè)實(shí)際驅(qū)動(dòng)ADC的電路——也被稱為ADC驅(qū)動(dòng)器或差分放大器——能夠處理高速信號(hào)。

引言
大多數(shù)現(xiàn)代高性能ADC使用差分輸入抑制共模噪聲和干擾。由于采用了平衡的信號(hào)處理方式，這種方法能將動(dòng)態(tài)范圍提高2倍，進(jìn)而改善系統(tǒng)總體性能。雖然差分輸入型ADC也能接受單端輸入信號(hào)，但只有在輸入差分信號(hào)時(shí)才能獲得最佳ADC性能。ADC驅(qū)動(dòng)器專門設(shè)計(jì)用于提供這種差分信號(hào)的電路——可以完成許多重要的功能，包括幅度調(diào)整、單端到差分轉(zhuǎn)換、緩沖、共模偏置調(diào)整和濾波等。自從推出AD8138,1以后，差分ADC驅(qū)動(dòng)器已經(jīng)成為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中不可或缺的信號(hào)調(diào)理元件。

圖1：差分放大器。

圖1是一種基本的完全差分電壓反饋型ADC驅(qū)動(dòng)器。這個(gè)圖與傳統(tǒng)運(yùn)放的反饋電路有兩點(diǎn)區(qū)別：差分ADC驅(qū)動(dòng)器有一個(gè)額外的輸出端(VON)和一個(gè)額外的輸入端(VOCM)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)器與差分輸入型ADC連接時(shí)，這些輸入輸出端可以提供很大的靈活性。

與單端輸出相反，差分ADC驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生平衡的差分輸出信號(hào)——相對(duì)于VOCM——在VOP與VON之間。這里的P指的是正，N指的是負(fù)。VOCM輸入信號(hào)控制輸出共模電壓。只要輸入與輸出信號(hào)處于規(guī)定范圍內(nèi)，輸出共模電壓必定等于VOCM輸入端的電壓。負(fù)反饋和高開環(huán)增益致使放大器輸入端的電壓VA+和VA-實(shí)質(zhì)上相等。

為了便于后面的討論，需要明確一些定義。如果輸入信號(hào)是平衡信號(hào)，那么VIP和VIN相對(duì)于某個(gè)公共參考電壓的幅度應(yīng)該是相等的，相位則相反。當(dāng)輸入信號(hào)是單端信號(hào)時(shí)，一個(gè)輸入端是固定電壓，另一個(gè)輸入端的電壓相對(duì)這個(gè)輸入端變化。無論是哪種情況，輸入信號(hào)都被定義為VIP–VIN。

差模輸入電壓VIN, dm和共模輸入電壓VIN, cm的定義見公式1和公式2。

(1, 2)

雖然這個(gè)共模電壓的定義應(yīng)用于平衡輸入時(shí)很直觀，但對(duì)單端輸入同樣有效。輸出也有差模和共模兩種，其定義見公式3和公式4。

對(duì)差分ADC驅(qū)動(dòng)器的分析比對(duì)傳統(tǒng)運(yùn)放的分析要復(fù)雜得多。為了簡(jiǎn)化代數(shù)表達(dá)式，暫且定義兩個(gè)反饋系數(shù)β1和β2，見公式5和公式6。

(5, 6)

在大多數(shù)ADC驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中β1= β2，但含有VIP、VIN、VOCM、β1和β2項(xiàng)的VOUT, dm通用閉環(huán)公式對(duì)于了解β失配對(duì)性能的影響非常有用。VOUT, dm的計(jì)算見公式7，其中包括了與頻率相關(guān)的放大器有限開環(huán)電壓增益A(s)。

(7)

當(dāng)β1 ≠β2時(shí)，差分輸出電壓取決于VOCM——這不是理想的結(jié)果，因?yàn)樗a(chǎn)生了偏移，并且在差分輸出中有過大的噪聲。電壓反饋架構(gòu)的增益帶寬積是常數(shù)。有趣的是，增益帶寬積中的增益是兩個(gè)反饋系數(shù)平均值的倒數(shù)。當(dāng)β1 =β2 ≡β時(shí)，公式7可以被簡(jiǎn)化為公式8。

(8)

這個(gè)表達(dá)式大家可能更加熟悉。當(dāng)A(s) → ∞時(shí)，理想的閉環(huán)增益可以簡(jiǎn)化為RF/RG。增益帶寬乘積公式看起來也很熟悉，其中的“噪聲增益”與傳統(tǒng)運(yùn)放一樣，等于1/β。

反饋系數(shù)匹配的差分ADC驅(qū)動(dòng)器的理想閉環(huán)增益見公式9。

(9)

輸出平衡是差分ADC驅(qū)動(dòng)器的一個(gè)重要性能指標(biāo)，它分兩個(gè)方面：幅度平衡和相位平衡。幅度平衡用于衡量兩個(gè)輸出在幅度方面的接近程度，對(duì)于理想放大器來說它們是完全一致的。輸出相位平衡用于衡量兩個(gè)輸出的相位差與180°的接近程度。輸出幅度或相位的任何失衡都會(huì)在輸出信號(hào)中產(chǎn)生有害的共模分量。輸出平衡誤差(公式10)是差分輸入信號(hào)產(chǎn)生的輸出共模電壓與相同輸入信號(hào)產(chǎn)生的輸出差模電壓的對(duì)數(shù)比值，單位是dB。

(10)

內(nèi)部共模反饋環(huán)路迫使VOUT, cm等于輸入端VOCM的電壓，從而達(dá)到完美的輸出平衡。

將輸入端接到ADC驅(qū)動(dòng)器
處理高速信號(hào)的系統(tǒng)經(jīng)常會(huì)用到ADC驅(qū)動(dòng)器。分隔距離超過信號(hào)波長一小段的器件之間必須用具有受控阻抗的電氣傳輸線連接，以避免破壞信號(hào)完整性。當(dāng)傳輸線的兩端用其特征阻抗端接時(shí)可以取得最佳性能。驅(qū)動(dòng)器一般放在靠近ADC的地方，因此在它們之間不要求使用受控阻抗連接。但到ADC驅(qū)動(dòng)器輸入端的引入信號(hào)連接通常很長，必須采用正確電阻端接的受控阻抗連接。

不管是差分還是單端，ADC驅(qū)動(dòng)器的輸入阻抗必須大于或等于理想的終端電阻值，以便添加的終端電阻RT能與放大器輸入端并聯(lián)達(dá)到要求的電阻值。本文討論的例子中的所有ADC驅(qū)動(dòng)器都設(shè)計(jì)成具有平衡的反饋比，如圖2所示。

圖2：差分放大器的輸入阻抗。