《ADC驱动器或差分放大器设计指南》.pdf

ADC 驱动器或差分放大器设计指南 作为应用工程师，我们经常遇到各种有关差分输入型高速模数转换器(ADC)的驱动问题。 事实上，选择正确的 ADC 驱动器和配置极具挑战性。为了使鲁棒性 ADC 电路设计多少容易些， 我们汇编了一套通用“路障”及解决方案。本文假设实际驱动 ADC 的电路——也被称为 ADC 驱动器或差分放大器——能够处理高速信号。 引言 大多数现代高性能 ADC 使用差分输入抑制共模噪声和干扰。由于采用了平衡的信号处理 方式，这种方法能将动态范围提高 2 倍，进而改善系统总体性能。虽然差分输入型 ADC 也能 接受单端输入信号，但只有在输入差分信号时才能获得最佳 ADC 性能。ADC 驱动器专门设计 用于提供这种差分信号的电路——可以完成许多重要的功能，包括幅度调整、单端到差分转 换、缓冲、共模偏置调整和滤波等。自从推出 AD8138,1 以后，差分 ADC 驱动器已经成为数 据采集系统中不可或缺的信号调理元件。 图 1：差分放大器。 图 1 是一种基本的完全差分电压反馈型 ADC 驱动器。这个图与传统运放的反馈电路有两 点区别：差分 ADC 驱动器有一个额外的输出端(VON)和一个额外的输入端(VOCM)。当驱动器 与差分输入型 ADC 连接时，这些输入输出端可以提供很大的灵活性。 与单端输出相反，差分 ADC 驱动器产生平衡的差分输出信号——相对于 VOCM——在 VOP 与 VON 之间。这里的 P 指的是正，N 指的是负。VOCM 输入信号控制输出共模电压。只要输入 与输出信号处于规定范围内，输出共模电压必定等于 VOCM 输入端的电压。负反馈和高开环 增益致使放大器输入端的电压 VA+和 VA-实质上相等。 为了便于后面的讨论，需要明确一些定义。如果输入信号是平衡信号，那么 VIP 和 VIN 相对于某个公共参考电压的幅度应该是相等的，相位则相反。当输入信号是单端信号时，一 个输入端是固定电压，另一个输入端的电压相对这个输入端变化。无论是哪种情况，输入信 号都被定义为 VIP–VIN。 差模输入电压 VIN, dm 和共模输入电压 VIN, cm 的定义见公式 1 和公式 2。 (1, 2) 虽然这个共模电压的定义应用于平衡输入时很直观，但对单端输入同样有效。输出也有 差模和共模两种，其定义见公式 3 和公式 4。 (3, 4) 需要注意实际的输出共模电压 VOUT, cm 和 VOCM 输入端之间的差异，这个差异决定了输 出共模电平。 对差分 ADC 驱动器的分析比对传统运放的分析要复杂得多。为了简化代数表达式，暂且 定义两个反馈系数 β1 和 β2，见公式 5 和公式 6。 (5, 6) 在大多数 ADC 驱动应用中 β1= β2，但含有 VIP、VIN、VOCM、β1 和 β2 项的 VOUT, dm 通用闭环公式对于了解 β 失配对性能的影响非常有用。VOUT, dm 的计算见公式 7，其中包 括了与频率相关的放大器有限开环电压增益 A(s)。 (7) 当 β1 ≠β2 时，差分输出电压取决于 VOCM——这不是理想的结果，因为它产生了偏移， 并且在差分输出中有过大的噪声。电压反馈架构的增益带宽积是常数。有趣的是，增益带宽 积中的增益是两个反馈系数平均值的倒数。当 β1 =β2 ≡β 时，公式 7 可以被简化为公式 8。 (8) 这个表达式大家可能更加熟悉。当 A(s) → ∞时，理想的闭环增益可以简化为 RF/RG。 增益带宽乘积公式看起来也很熟悉，其中的“噪声增益”与