全差分放大器的概念及其優(yōu)勢(shì)

目前，世界上大多數(shù)的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)都具有差分輸入。這些ADC被廣泛的運(yùn)用于多種終端的應(yīng)用當(dāng)中，但不僅僅局限于通信無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施和回傳，以及測(cè)試與測(cè)量示波器和頻譜分析儀。為了支持這一輸入架構(gòu)，工程師必須設(shè)計(jì)與ADC進(jìn)行差分對(duì)接的信號(hào)鏈。

為了獲得最佳性能，用戶必須在信號(hào)鏈上選擇一個(gè)balun(平衡不平衡變換器)，雖然這可能會(huì)導(dǎo)致某些應(yīng)用中的耦合問(wèn)題。然而，耦合問(wèn)題并不是總是發(fā)生，特別是在某些需要DC分量的測(cè)試和測(cè)量應(yīng)用中更是如此。全差分放大器 (FDA)是一種多用途的工具，它可以替代balun(或與它一同使用)的同時(shí)，并且提供多種優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)的使用單端輸出的放大器相比，電路設(shè)計(jì)人員在使用由FDA實(shí)現(xiàn)的全差分信號(hào)處理頻譜分析儀時(shí)，能夠增加電路對(duì)外部噪聲的抗擾度，從而將動(dòng)態(tài)范圍加倍，并且減少偶次諧波。

在這篇文章中，我們會(huì)回顧一下全差分放大器(FDA)的基本知識(shí)，F(xiàn)DA的重要技術(shù)規(guī)格，以及這些技術(shù)規(guī)格的含義，并且談一談如何使用一個(gè)balun類型的FDA，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)鏈與額外性能的對(duì)接。

FDA是什么?

想象一下，如果你不使用高級(jí)器件——FDA集成電路來(lái)驅(qū)動(dòng)差分ADC。除了balun，一個(gè)解決方案就需要通過(guò)兩個(gè)運(yùn)算放大器來(lái)提供差分信號(hào)，其中一個(gè)運(yùn)算放大器提供正(VIN+)輸入信號(hào)，另外一個(gè)提供負(fù)(VIN-)輸入信號(hào)。如果想要在運(yùn)算放大器 (op amp)外部建立適當(dāng)增益，你將總共需要使用8個(gè)電阻器，這設(shè)計(jì)起來(lái)將會(huì)十分復(fù)雜?，F(xiàn)在，工程師只需要一半數(shù)量的電阻器和一個(gè)IC，就可以使用一個(gè)FDA來(lái)提供ADC的單端至差分接口和一個(gè)差分至差分接口。同時(shí)，這個(gè)IC無(wú)需balun便可以使得DC分量導(dǎo)通，這一點(diǎn)不同于提供DC隔離的balun。這個(gè)的關(guān)鍵點(diǎn)是在許多應(yīng)用中需DC和低頻的出色的頻率響應(yīng)。

那么，F(xiàn)DA到底是什么呢?基本上來(lái)說(shuō)，F(xiàn)DA是具有兩個(gè)放大器的器件。主差分放大器(從VIN至VOUT)由多個(gè)反饋路徑和Vocm誤差放大器組成，而Vocm誤差放大器更多情況下被稱為共模輸出放大器。

我們先來(lái)討論一下Vocm誤差放大器。Vocm放大器在內(nèi)部采樣差分電壓(VOUT+和VOUT–)，并且將這個(gè)電壓與施加到VOCM引腳上的電壓相比較。通過(guò)一個(gè)內(nèi)部反饋環(huán)路，Vocm放大器將Vocm誤差放大器的“誤差”電壓(輸入引腳間的電壓)驅(qū)動(dòng)為0，這樣的話，VOUT_cm(圖1)= Vocm。如果VOCM引腳保持在懸空的狀態(tài)時(shí)，通常由一個(gè)內(nèi)部分壓器將偏置點(diǎn)的缺省值設(shè)定為VCC/2(電源間的中間位置)。(VOCM)引腳上的Vocm設(shè)置會(huì)影響到總體輸出擺幅(稍后討論)。這些特性不同于具有單端輸出的傳統(tǒng)運(yùn)算放大器。在傳統(tǒng)運(yùn)算放大器中，輸出共模電壓和單端輸出實(shí)際上是會(huì)影響到運(yùn)算放大器的動(dòng)態(tài)范圍的同一信號(hào)。

除了Vocm誤差放大器，F(xiàn)DA中的主差分放大器具有VOUT+和VOUT—輸出和多條反饋路徑。在分析這個(gè)放大器時(shí)，最好將它想象成為包含兩條反向的反饋路徑。一條路徑是一個(gè)反向輸入到非反向輸出，另外一條路徑是非反向輸入到一個(gè)反向輸出(圖1)。為了使FDA正常運(yùn)行，兩條路徑都必須關(guān)閉。并且，為了保持平衡，反饋路徑也最好保持相等。對(duì)于這兩個(gè)路徑的分析是非常復(fù)雜的。為了有助于介紹FDA的基本知識(shí)和它們?cè)谳o助設(shè)計(jì)中所發(fā)揮的作用，本文中對(duì)于它們的分析相對(duì)簡(jiǎn)單。想要了解基本FDA輸入和輸出電壓定義，請(qǐng)見(jiàn)圖1。

圖1：全差分放大器的典型圖

圖2：基本FDA增益配置，差分輸入至差分輸出

在圖2中，我們已經(jīng)將外部電阻器添加到基本的FDA圖中，用來(lái)設(shè)定增益。正是因?yàn)槿绱?，?duì)于內(nèi)部差分放大器的分析開(kāi)始變得復(fù)雜了。出于簡(jiǎn)化的目的，我們將β1和β2指定為反饋?lái)?xiàng)。

通過(guò)這兩個(gè)方程式，我們來(lái)看一看由反饋、VIN+、VIN–和Vocm組成的VOUT(diff) 方程式。

方程式 (3) 顯示的是，在反饋?lái)?xiàng)不相等的情況下，差分輸出電壓取決于Vocm。從這點(diǎn)我們可以看出，反饋?lái)?xiàng)應(yīng)該相等，或者盡可能地接近，這一點(diǎn)很重要，這是因?yàn)閂ocm項(xiàng)會(huì)產(chǎn)生偏移和噪聲。反饋?lái)?xiàng)應(yīng)該等于方程式，這個(gè)方程式可簡(jiǎn)化為：

FDA的優(yōu)點(diǎn)

本章結(jié)合了FDA的基礎(chǔ)知識(shí)來(lái)討論FDA的優(yōu)點(diǎn)。由于差分架構(gòu)的固有屬性，F(xiàn)DA還可以幫助提升系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。當(dāng)信號(hào)在穿過(guò)印刷電路板(PCB)、電纜和接線，以及通過(guò)信號(hào)與接地路徑時(shí)，系統(tǒng)噪聲會(huì)累加，并且會(huì)影響到動(dòng)態(tài)范圍。

FDA的抗噪性是差分結(jié)構(gòu)的內(nèi)在屬性。它可以在輸入上抑制耦合噪聲。通常表現(xiàn)為典型運(yùn)算放大器內(nèi)的共模電壓的電源和輸出。根據(jù)方程式 (4)，在FDA中實(shí)現(xiàn)了平衡，Vocm被消除了，或者是數(shù)值太低，無(wú)法提供這個(gè)優(yōu)勢(shì)。由于因?yàn)槊總€(gè)部件都有不同的基準(zhǔn)點(diǎn)，因此單端組件不能抑制接地噪聲。盡管將大量的設(shè)計(jì)工作被用來(lái)將高頻接地電流接地，但是，在差分信令提升性能的地方還是會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。在一個(gè)典型運(yùn)算放大器中累積的噪聲會(huì)降低信噪比(SNR)性能，從而影響系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

除了FDA的共模抑制屬性所帶來(lái)的更大抗擾度，輸出之間的相位差使得輸出電壓擺幅是具有同樣電壓擺幅的單端輸出的兩倍(6dB)(圖3)。這種情況下，用同樣的電源增加了放大器的凈空，并且針對(duì)同樣的信號(hào)擺幅，允許使用功率更低的電源，從而使耗散降低。

圖3. FDA內(nèi)的動(dòng)態(tài)范圍增加

FDA和差分信號(hào)鏈的優(yōu)點(diǎn)在于從根本上消除了偶次諧波。使用冪級(jí)數(shù)展開(kāi)，指定一個(gè)正弦波輸入，并且忽略DC分量，圖5顯示的是放大器等(FDA)非線性差分器件內(nèi)的二階諧波消除。雖然在理想器件中無(wú)法實(shí)現(xiàn)完全消除，但是這些產(chǎn)品中所采用的平衡設(shè)計(jì)(在誤差范圍內(nèi))需要優(yōu)于單端配置(圖4)。

圖4. 單端放大器配置

圖5. 全差分放大器配置

FDA的另外一個(gè)優(yōu)勢(shì)就是提供出色輸出均衡的能力，而這一點(diǎn)對(duì)于差分ADC的驅(qū)動(dòng)很關(guān)鍵。進(jìn)入ADC中的信號(hào)相位和幅度分量理想匹配，從而實(shí)現(xiàn)最佳性能。當(dāng)幅度和相位其中的一個(gè)不均衡，或者二者均不平衡時(shí)，會(huì)在輸出上出現(xiàn)共模分量，從而使SNR的性能下降。為了實(shí)現(xiàn)相位平衡，一個(gè)理想FDA可以在VOUT+ and VOUT-信號(hào)之間提供180°的相位差。由于內(nèi)部共模反饋電路強(qiáng)制輸出共模電壓與Vocm上施加的共模電壓相等，平衡誤差被降到最低。請(qǐng)見(jiàn)顯示性能的方程式 (5)，其中給出了平衡誤差的計(jì)算方法：