用差分放大器来驱动高速ADC -模拟/数字

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当今的世界是一个充斥着海量数据的世界。人们的生活从中获益颇多，但系统设计者面临的压力却日益增大，为模拟数字转换器（ADC）挑选合适的驱动器就是一个重要课题。作为联系现实世界和数据世界重要桥梁的ADC，往往要以数百兆赫兹的频率和高达16位的分辨率来进行采样工作。这样，选择与其相匹配的驱动器来充分发挥其潜力，就变得至关重要。高带宽、高无杂散动态范围、低噪声和低失真度已成为挑选ADC驱动器的重要指标。差分信号的优点目前，用来驱动ADC的方案有两种，第一种是使用变压器，第二种则是差分放大器。不过，在介绍差分放大器之前，让我们先来了解一下什么是差分信号。简单地讲，差分信号就是两个相关信号的差值，本文介绍的是电压差分信号，它已经广泛的用于音频、数据传输和电话中。虽然比单端输入信号系统要复杂，但差分信号系统的优点是明显的。第一，差分信号对外部电磁干扰（EMI）是高度免疫的。一个干扰源对差分信号对的每一端影响都是相同的。因为由电压差来决定信号，两边的干扰相抵，信号便不会有大幅的变化。第二，差分信号有利于识别微小信号。在差分信号系统中，基准点是由使用者来确定的，可以选择两输入端的平均信号作为基准点，这就减小了信号的摆动范围。第三，单端输入系统的信号要依靠虚地，而差分信号就不需要这样一个虚地，增加了双极型信号的保真度和稳定性。第四，差分信号的时序定位精确。差分信号受工艺和环境温度的影响小，可降低时序上的误差。目前流行的LVDS就是一种小振幅差分信号技术。差分放大器就是接受和输出差分信号的器件，同运算放大器一样，它能接收双端输入，不同的是它具有双输出端，而不像运算放大器只有单端口。在差分放大器中，其输出共模电压（VOCM）能独立地被差分电压控制。图1是差分放大器的简明原理图。图1标准的差分放大器新型的差分放大器差分放大器有几个优点。第一是抗噪声能力，这一点在介绍差分信号时已经提及了。第二个优点是增加了差分输出电压摆动（见图2）。这其中的道理也不复杂，输出端的两电压为反相，其差值当然是单端输出的2倍了。第三个优点是减少了偶数阶的信号失真。为了解释这个道理，我们把输出端电压表示成输入端的多阶函数合。图2差分输出电压摆Vout+=k1Vin+k2Vin2+k3Vin3+…,（1）Vout-=k1(-Vin)+k2(-Vin)2+k3(-Vin)3+…（2）Vod=Vout-Vout-=2k1Vin+2k3Vin3+…(3)从式（3）中可以看出，偶数阶被消去了。为了适应市场的发展，各家公司纷纷推出了各自的差分放大器产品，像ADI公司的AD4937/4938，TI公司的THS4520，MAXIM公司的MAX4198/MAX4199以及Linear公司的LTC6400等。凭借着工艺的进步，这些产品的技术参数都达到了很高的水平。以AD4937为例，其输入电压噪声为2.2nV/√Hz；1.6GHz的-3dB带宽，增益G=1；压摆率为5000V/μS；在125MHz时有0.1dB增益平坦度带宽；能驱动从直流到100MHz的ADC。差分放大器胜出的原因用变压器和放大器来驱动ADC各有胜场。变压器是无源器件，不会引入噪声，而且具有电流隔离能力，但是受到的限制比放大器要多。放大器提供的增益大，在通带上也能提供更平坦的频率响应，不会产生纹波。选择放大器而不选择变压器的最主要原因是为了得到更好的通带平整度，放大器在频率范围内只会有±0.1dB的波动性。而变压器的频率响应变化不定，不适合有明确平整度要求的设计。放大器的驱动能力也强与变压器。变压器不能用来驱动PC板上的长引线。它们应该被直接与ADC相连。如果系统要求“驱动器／耦合器”必须远离ADC，或在另一块板上，则强烈推荐使用放大器。直流耦合也是使用放大器的原因之一，由于变压器本身是交流耦合的。如果频谱的直流成分在应用中十分重要，一些高频放大器能在一直降低到直流的所有频率上进行耦合。ADA4937就是这样的典型，它也能提供动态隔离，是大约30～40dB的反向隔离，可抑制来自无缓冲ADC输入端电流瞬态的反射尖峰脉冲。放大器的输入与输出阻抗与其增益无关。以ADA4937为例，它带来的源阻抗通常会低于5Ω。值得一提的是，由于ADA4937能处理很大的输出共模电压范围，因此其主要优势是应用于ADC的直流耦合应用中。总的来说，高速差分放大器让包含高速ADC的信号链设计更加灵活，而且随着工艺的进步，噪声等不利因素也在逐步消减中。选择差分放大器，能更好地发挥ADC的潜能。

春末夏初

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