ADC驅(qū)動(dòng)器或差分放大器設(shè)計(jì)指南

50MHz時(shí)的二次諧波失真相對(duì)于2Vp-p輸入信號(hào)來說大約是-88dBc。為了比較諧波失真水平和1 ENOB LSB，這個(gè)諧波失真值必須被轉(zhuǎn)換成電壓值，如公式33所示。

(33)

這個(gè)失真值只有80μVp-p，或1 ENOB LSB的16%。因此，從失真的角度看，可以認(rèn)為ADA4939是AD9445 ADC驅(qū)動(dòng)器的很好選擇。

由于ADC驅(qū)動(dòng)器是負(fù)反饋放大器，輸出失真取決于放大器電路中的環(huán)路增益值。負(fù)反饋放大器固有的開環(huán)失真將被減少1/(1+LG)倍，其中LG代表可用環(huán)路增益。

放大器的輸入(誤差電壓)被乘以一個(gè)大的前向電壓增益A(s)，然后通過反饋系數(shù)β傳送到輸入端，再通過調(diào)整輸出使誤差最小。這樣，這類放大器的環(huán)路增益為A(s)×β。隨著環(huán)路增益(A(s), β或兩者)的降低，諧波失真將增加。電壓反饋放大器，如積分器，被設(shè)計(jì)在直流和低頻率處具有大的A(s)，然后隨著1/f在規(guī)定高頻點(diǎn)趨向于1而發(fā)生滾降。隨著A(s)的滾降，環(huán)路增益下降，失真增加。因此諧波失真參數(shù)是A(s)的倒數(shù)。

電流反饋放大器將誤差電流用作反饋信號(hào)。誤差電流被乘以一個(gè)大的前向互阻T(s)而轉(zhuǎn)換成輸出電壓，然后通過反饋系數(shù)1/RF將輸出電壓轉(zhuǎn)換成反饋電流，以便使輸入誤差電流最小。因此理想的電流反饋放大器的環(huán)路增益是T(s)×(1/ RF)=T(s)/ RF。同A(s)一樣，T(s)也有一個(gè)大的直流值，并隨著頻率的增加而滾降，從而降低環(huán)路增益，增加諧波失真。

環(huán)路增益還直接取決于反饋系數(shù)1/RF。理想電流反饋放大器的環(huán)路增益并不取決于閉環(huán)電壓增益，因此諧波性能不會(huì)隨著閉環(huán)增益的增加而下降。在實(shí)際的電流反饋放大器中，環(huán)路增益確實(shí)某種程度上取決于閉環(huán)增益，但不會(huì)達(dá)到電壓反饋放大器中那樣的程度。 因此對(duì)于高閉環(huán)增益和低失真的應(yīng)用來說，電流反饋放大器，比如 ADA4927, 是比電壓反饋放大器更好的選擇。從圖17可以看出隨著閉環(huán)增益的增加失真性能保持得有多好。

圖17：失真與頻率和增益的關(guān)系。

帶寬和壓擺率
帶寬和壓擺率在ADC驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用中特別重要。一般情況下，器件的帶寬是指小信號(hào)帶寬，而壓擺率衡量的是大信號(hào)擺幅時(shí)放大器輸出端的最大變化率。

EUBW(有效可用帶寬)，一個(gè)類似于ENOB(有效位數(shù))的首字母縮略詞，用于描述帶寬。許多ADC驅(qū)動(dòng)器和運(yùn)放自稱有很寬的帶寬指標(biāo)，但并不是所有帶寬都是可用的。例如，-3dB帶寬是測(cè)量帶寬的一種傳統(tǒng)方法，但它并不意味著所有帶寬是可用的。-3dB帶寬的幅度和相位誤差的使用比實(shí)際“截止”頻率要早十年。那么什么是放大器的EUBW？如何確定它的大小？確定可用帶寬的一個(gè)極好方法是查詢數(shù)據(jù)手冊(cè)上的失真圖。

圖18表明，為了使二次和三次諧波保持大于-80dBc，這個(gè)ADC驅(qū)動(dòng)器不應(yīng)用于超過60MHz的頻率。由于每個(gè)應(yīng)用都不盡相同，系統(tǒng)要求將成為具有足夠帶寬和足夠失真性能的合適驅(qū)動(dòng)器的選擇準(zhǔn)則。

圖18：ADA4937電流反饋型ADC驅(qū)動(dòng)器的失真曲線。

壓擺率，一種大信號(hào)參數(shù)，指的是放大器輸出在沒有過高失真的情況下能夠跟蹤輸入的最大變化率。以壓擺率考慮正弦波輸出：

(34)

公式34在過零點(diǎn)的導(dǎo)數(shù)(變化率)即最大變化率，它等于：

(35)

其中dv/dt max是壓擺率，Vp是峰值電壓，f等于滿功率帶寬(FPBW)。推算FPBW：

(36)

因此，在選擇ADC驅(qū)動(dòng)器時(shí)，重點(diǎn)要考慮增益、帶寬和壓擺率(FPBW)，以確定放大器是否足夠滿足應(yīng)用要求。

穩(wěn)定性
關(guān)于差分ADC驅(qū)動(dòng)器的穩(wěn)定性考慮與運(yùn)放是一樣的，關(guān)鍵參數(shù)是相位余量。 雖然特定放大器配置的相位余量可以從數(shù)據(jù)手冊(cè)中獲取，但在實(shí)際系統(tǒng)中由于PCB版圖中的寄生效應(yīng)這個(gè)相位余量會(huì)有顯著降低。

負(fù)電壓反饋放大器的穩(wěn)定性取決于其環(huán)路增益的大小和符號(hào)，A(s)×β。差分ADC驅(qū)動(dòng)器要比典型的運(yùn)放電路稍微復(fù)雜一點(diǎn)，因?yàn)樗袃蓚€(gè)反饋系數(shù)。在公式7和公式8的分母中可以見到環(huán)路增益。公式37提供了在反饋系數(shù)不匹配(β1≠β2)情況下的環(huán)路增益。

(37)

當(dāng)反饋系數(shù)不匹配時(shí)，有效反饋系數(shù)是兩個(gè)反饋系數(shù)的簡(jiǎn)單平均值。當(dāng)它們匹配并被定義為β時(shí)，環(huán)路增益可以簡(jiǎn)化為A(s)×β。要想使反饋放大器穩(wěn)定，其環(huán)路增益不允許等于-1(相當(dāng)于相位偏移-180°、幅度為1)。對(duì)于電壓反饋放大器來說，其開環(huán)增益頻率圖上環(huán)路增益值等于1(即0dB)的點(diǎn)正是A(s)值等于反饋系數(shù)倒數(shù)的地方。

對(duì)于基本的放大器應(yīng)用，反饋是純阻性的，在反饋環(huán)路中不會(huì)引入相位偏移。在反饋系數(shù)匹配的情況下，與頻率無關(guān)的反饋系數(shù)倒數(shù)1+RF/RG通常被稱為噪聲增益。如果將以dB為單位的恒定噪聲增益與開環(huán)增益A(s)繪制在同一張圖上，那么兩條曲線的交叉點(diǎn)就是環(huán)路增益為1或0dB的地方。在這個(gè)頻率點(diǎn)的A(s)相位與-180°之間的差值被定義為相位余量。為了穩(wěn)定工作，這個(gè)相位余量應(yīng)大于或等于45°。圖19給出了RF/RG=1(噪聲增益=2)時(shí)ADA4932的單位環(huán)路增益點(diǎn)和相位余量。

圖19：ADA4932開環(huán)增益幅度和相位與頻率的關(guān)系。