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          ADC驅(qū)動(dòng)器或差分放大器設(shè)計(jì)匯總

          作者: 時(shí)間:2012-07-31 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/154258.htm

          因?yàn)閮蓚€(gè)輸入端之間的電壓被負(fù)反饋驅(qū)動(dòng)到零,因此兩個(gè)輸入端處于連接狀態(tài),輸入阻抗RIN就簡單地等于2×RG。為了匹配傳輸線阻抗RL,需要將由公式11計(jì)算得到的電阻RT跨接在輸入端。圖3給出了典型的電阻值,其中RF =RG=200Ω,理想的RL, dm=100Ω,RT=133Ω。

          eq11
          (11)

          匹配100Ω傳輸線 www.elecfans.com

          圖3:匹配100Ω傳輸線。

          單端輸入的端接更加麻煩。圖4描述了采用單端輸入和輸出的工作原理。

          single-ended input to adc driver

          圖4:采用單端輸入的例子。

          雖然輸入是單端的,但VIN, dm等于VIN。因?yàn)殡娮鑂F和RG是相等和平衡的,因此增益是1,而且差分輸出VOP–VON等于輸入,即4Vp-p。VOUT, cm=VOCM=2.5V,而且從下方的反饋電路可以看出,輸入電壓VA+和VA-等于VOP/2。

          根據(jù)公式3和公式4,VOP=VOCM+VIN/2,即2.5V±1V的同相擺幅;VON=VOCM–VIN/2,即2.5V±1V的反相擺幅。這樣,VA+和VA-的擺幅等于1.25V±0.5V。必須由VIN提供的電流交流分量等于(2V–0.5V)/500Ω=3mA,因此到地的電阻必須匹配,從VIN看過去為667Ω。

          當(dāng)每個(gè)環(huán)路的反饋系數(shù)都匹配時(shí),公式12就是計(jì)算這個(gè)單端輸入電阻的通式,其中RIN, se是單端輸入電阻。

          eq12
          (12)

          這是計(jì)算終結(jié)電阻的出發(fā)點(diǎn)。然而值得注意的是,增益公式基于零阻抗輸入源的假設(shè)。由于存在單端輸入造成的不平衡而必須加以匹配的重要源阻抗只會(huì)增加上面RG的阻值。為了保持平衡,必須增加下面RG的阻值來實(shí)現(xiàn)匹配,但這會(huì)影響增益值。雖然可以為解決端接單端信號(hào)問題而采用一個(gè)封閉形式的解決方案,但一般使用迭代的方法。在下面的例子中這種需求將變得很明顯。

          在圖5中,為了保持低的噪聲,要求單端到差分增益為1,輸入終結(jié)電阻為50Ω,反饋和增益電阻值在200Ω左右。

          根據(jù)公式12可以算出單端輸入電阻為267Ω。公式13表明,并聯(lián)電阻RT應(yīng)等于61.5Ω,才能將267Ω輸入電阻減小至50Ω。

          single-ended input impedance
          圖5:單端輸入阻抗。

          eq13
          (13)

          圖6是帶源電阻和終端電阻的電路。帶50Ω源電阻的源開路電壓為2Vp-p。當(dāng)源用50Ω端接時(shí),輸入電壓減小到1Vp-p,這個(gè)電壓也是單位增益的差分輸出電壓。

          source and termination resistances

          圖6:帶源電阻和終端電阻的單端電路。

          這個(gè)電路初看起來非常完整,但不匹配的61.5Ω電阻與50Ω的并聯(lián)并增加到了上面的RG電阻,這就改變了增益和單端輸入電阻,并且造成反饋系數(shù)失配。在低增益情況下,輸入電阻的變化很小,暫時(shí)可以忽略,但反饋系數(shù)仍然必須匹配。解決這個(gè)問題的最簡單方法是增加下面RG的阻值。圖7是一種Thévenin等效電路,其中上方的并聯(lián)組合用作源電阻。

          thevenin equivalent

          圖7:輸入源的Thévenin等效電路。

          有了這種替代方案后,就可以將27.6Ω的電阻RTS增加到下面的環(huán)路中實(shí)現(xiàn)環(huán)路反饋系數(shù)的匹配,如圖8所示。

          balanced single-ended termination

          圖8:平衡的單端端接電路。

          注意,1.1Vp-p的Thévenin電壓要大于1Vp-p的正確端接電壓,而每個(gè)增益電阻增加了27.6Ω,降低了閉環(huán)增益。對(duì)于大電阻(>1kΩ)和低增益(1或2)來說這些相反的效應(yīng)基本抵消,但對(duì)于小電阻或較高增益來說并不能完全抵消。圖8所示電路現(xiàn)在分析起來就很容易了,其中的差分輸出電壓可以用公式14計(jì)算。

          eq14
          (14)

          差分輸出電壓并不完全等于理想的1Vp-p ,但可以通過修改反饋電阻實(shí)現(xiàn)最終獨(dú)立的增益調(diào)整,如公式15所示。

          eq15
          (15)

          圖9是用標(biāo)準(zhǔn)1%精度電阻實(shí)現(xiàn)的完整電路。

          complete single-ended termination

          圖9:完整的單端端接電路。

          觀察: 參考圖9,驅(qū)動(dòng)器的單端輸入電阻RIN, se由于RF和RG的改變而變化。驅(qū)動(dòng)器上端環(huán)路的增益電阻是200Ω,下端環(huán)路的電阻是200Ω+28Ω=228Ω。在不同增益電阻值的情況下計(jì)算RIN, se首先要求計(jì)算兩個(gè)β值,見公式16和公式17。

          eq16
          (16)
          eq16
          (17)

          輸入電阻RIN, se的計(jì)算見公式18。

          eq18
          (18)

          這個(gè)值與原來計(jì)算的267Ω稍有不同,但對(duì)RT的計(jì)算沒有顯著的影響,因?yàn)镽IN, se與RT是并聯(lián)的關(guān)系。

          如果需要更精確的總體增益,可以使用更高精度或串聯(lián)的可調(diào)電阻。

          上述描述的單次迭代方法非常適合閉環(huán)增益為1或2的場合。增益越高,RTS的值越接近RG值,用公式18計(jì)算的RIN, se值與用公式12計(jì)算的RIN, se值之間的差異就越大。在這些情況下要求采用多次迭代。

          多次迭代并不難實(shí)現(xiàn):最近ADI公司發(fā)布的可下載的差分計(jì)算工具, ADIsimDiffAmp™(參考文獻(xiàn)2)和 ADI Diff Amp Calculator™(參考文獻(xiàn)3)足以擔(dān)當(dāng)此任,它們能在幾秒內(nèi)完成上述計(jì)算。

          輸入共模電壓范圍
          輸入共模電壓范圍(ICMVR)規(guī)定了正常工作狀態(tài)下可以施加于差分放大器輸入端的電壓范圍。在這些輸入端上呈現(xiàn)的電壓可以被稱為ICMV、Vacm或VA±。這個(gè)ICMVR指標(biāo)經(jīng)常被誤解。最常遇到的難題是確定差分放大器輸入端的實(shí)際電壓,特別是相對(duì)于輸入電壓而言。知道變量VIN, cm、β和VOCM的值后,當(dāng)β不相等時(shí)使用通式19、當(dāng)β相等時(shí)使用簡化公式20就可以計(jì)算出放大器的輸入電壓(VA±)。

          eq19
          (19)
          eq20
          (20)

          記住VA始終是按比例縮小的輸入信號(hào),這一點(diǎn)非常有用(見圖4)。不同的放大器類型有不同的輸入共模電壓范圍。ADI公司的高速差分驅(qū)動(dòng)器有兩種輸入級(jí)配置,即中心型和偏移型。中心型ADC驅(qū)動(dòng)器的輸入電壓離每個(gè)電壓軌有約1V的距離(因此叫中心型)。而偏移型輸入級(jí)增加了兩個(gè)晶體管,允許輸入端電壓擺幅更接近–VS軌。圖10是一個(gè)典型差分放大器(Q2和Q3)的簡化輸入原理圖。

          diff amp with shifted icmvr

          圖10:具有偏移型ICMVR的簡化差分放大器。

          偏移型輸入架構(gòu)允許差分放大器處理雙極性輸入信號(hào),即使放大器是采用單電源供電,因此這種架構(gòu)非常適合輸入是地或地電平以下的單電源應(yīng)用。在輸入端增加的PNP晶體管(Q1和Q4)可以將差分對(duì)的輸入電壓向上偏移一個(gè)晶體管的Vbe電壓。例如,當(dāng)-IN端電壓為-0.3V時(shí),A點(diǎn)電壓將為0.7V,允許差分對(duì)正常工作。沒有PNP(中心型輸入級(jí))時(shí),A點(diǎn)的-0.3V電壓將使NPN差分對(duì)處于反向偏置狀態(tài),因而無法正常工作。

          表1提供了ADI公司ADC驅(qū)動(dòng)器的多數(shù)指標(biāo)一覽表。對(duì)這張表粗略一看就能發(fā)現(xiàn)哪些驅(qū)動(dòng)器具有偏移型ICMVR,哪些沒有。

          輸入和輸出耦合:交流或直流
          需要交流耦合還是直流耦合對(duì)差分ADC驅(qū)動(dòng)器的選擇有很大的影響。輸入和輸出耦合之間的考慮因素也不同。

          交流耦合型輸入級(jí)電路見圖11。

          ac-coupled adc driver

          圖11:交流耦合型ADC驅(qū)動(dòng)器。

          對(duì)于采用交流耦合輸入的差分至差分應(yīng)用來說,放大器輸入端呈現(xiàn)的直流共模電壓等于直流輸出共模電壓,因?yàn)橹绷鞣答侂娏鞅惠斎腚娙莞綦x了。另外,直流反饋系數(shù)也是匹配的,完全等于單位1。VOCM——和由此得到的直流輸入共模電壓——經(jīng)常被設(shè)置在電源電壓的一半左右。具有中心型輸入共模范圍的ADC驅(qū)動(dòng)器非常適合這類應(yīng)用,它們的輸入共模電壓接近規(guī)定范圍的中心。

          交流耦合單端至差分應(yīng)用與對(duì)應(yīng)的差分輸入應(yīng)用非常相似,但在放大器輸入端具有共模紋波——按比例縮小的輸入信號(hào)“復(fù)制品”。具有中心型輸入共模范圍的ADC驅(qū)動(dòng)器將平均輸入共模電壓設(shè)定在規(guī)定范圍的中間,因而能為大多數(shù)應(yīng)用中的紋波提供足夠的富余度。

          當(dāng)輸入耦合方式可選時(shí),值得人們注意的是,采用交流耦合輸入的ADC驅(qū)動(dòng)器比采用直流耦合輸入的相似驅(qū)動(dòng)器耗散更少的功率,因?yàn)閮蓚€(gè)反饋環(huán)路中都不存在直流共模電流。

          當(dāng)ADC要求輸入共模電壓與驅(qū)動(dòng)器輸出端電壓完全不同時(shí),交流耦合ADC驅(qū)動(dòng)器的輸出就非常有用。當(dāng)VOCM值被設(shè)在電源電壓一半附近時(shí),驅(qū)動(dòng)器將有最大的輸出擺幅,但當(dāng)驅(qū)動(dòng)要求非常低輸入共模電壓的低電壓ADC時(shí)會(huì)出現(xiàn)問題。走出這個(gè)困境的簡單方法(圖12)是驅(qū)動(dòng)器輸出和ADC輸入之間采用交流耦合連接,從驅(qū)動(dòng)器輸出中去除ADC的直流共模電壓,并允許適合ADC的共模電平應(yīng)用于交流耦合側(cè)。例如,驅(qū)動(dòng)器可以工作在單5V電源和VOCM=2.5V條件下,而ADC可以工作在單1.8V電源,此時(shí)在標(biāo)記為ADC CMV的點(diǎn)必需施加0.9V的輸入共模電壓。

          dc-coupled inputs, ac-coupled outputs

          圖12:采用交流耦合輸出的直流耦合輸入電路。

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