用差分放大器來驅(qū)動(dòng)高速ADC

當(dāng)今的世界是一個(gè)充斥著海量數(shù)據(jù)的世界。人們的生活從中獲益頗多，但系統(tǒng)設(shè)計(jì)者面臨的壓力卻日益增大，為模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）挑選合適的驅(qū)動(dòng)器就是一個(gè)重要課題。作為聯(lián)系現(xiàn)實(shí)世界和數(shù)據(jù)世界重要橋梁的ADC，往往要以數(shù)百兆赫茲的頻率和高達(dá)16位的分辨率來進(jìn)行采樣工作。這樣，選擇與其相匹配的驅(qū)動(dòng)器來充分發(fā)揮其潛力，就變得至關(guān)重要。高帶寬、高無雜散動(dòng)態(tài)范圍、低噪聲和低失真度已成為挑選ADC驅(qū)動(dòng)器的重要指標(biāo)。

差分信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)

目前，用來驅(qū)動(dòng)ADC的方案有兩種，第一種是使用變壓器，第二種則是差分放大器。不過，在介紹差分放大器之前，讓我們先來了解一下什么是差分信號(hào)。

簡(jiǎn)單地講，差分信號(hào)就是兩個(gè)相關(guān)信號(hào)的差值，本文介紹的是電壓差分信號(hào)，它已經(jīng)廣泛的用于音頻、數(shù)據(jù)傳輸和電

話中。雖然比單端輸入信號(hào)系統(tǒng)要復(fù)雜，但差分信號(hào)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是明顯的。第一，差分信號(hào)對(duì)外部電磁干擾（EMI）是高度免疫的。一個(gè)干擾源對(duì)差分信號(hào)對(duì)的每一端影響都是相同的。因?yàn)橛呻妷翰顏頉Q定信號(hào)，兩邊的干擾相抵，信號(hào)便不會(huì)有大幅的變化。第二，差分信號(hào)有利于識(shí)別微小信號(hào)。在差分信號(hào)系統(tǒng)中，基準(zhǔn)點(diǎn)是由使用者來確定的，可以選擇兩輸入端的平均信號(hào)作為基準(zhǔn)點(diǎn)，這就減小了信號(hào)的擺動(dòng)范圍。第三，單端輸入系統(tǒng)的信號(hào)要依靠虛地，而差分信號(hào)就不需要這樣一個(gè)虛地，增加了雙極型信號(hào)的保真度和穩(wěn)定性。第四，差分信號(hào)的時(shí)序定位精確。差分信號(hào)受工藝和環(huán)境溫度的影響小，可降低時(shí)序上的誤差。目前流行的LVDS就是一種小振幅差分信號(hào)技術(shù)。

差分放大器就是接受和輸出差分信號(hào)的器件，同運(yùn)算放大器一樣，它能接收雙端輸入，不同的是它具有雙輸出端，而不像運(yùn)算放大器只有單端口。在差分放大器中，其輸出共模電壓（VOCM）能獨(dú)立地被差分電壓控制。圖1是差分放大器的簡(jiǎn)明原理圖。

圖1標(biāo)準(zhǔn)的差分放大器
新型的差分放大器

差分放大器有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。第一是抗噪聲能力，這一點(diǎn)在介紹差分信號(hào)時(shí)已經(jīng)提及了。第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是增加了差分輸出電壓擺動(dòng)（見圖2）。這其中的道理也不復(fù)雜，輸出端的兩電壓為反相，其差值當(dāng)然是單端輸出的2倍了。第三個(gè)優(yōu)點(diǎn)是減少了偶數(shù)階的信號(hào)失真。為了解釋這個(gè)道理，我們把輸出端電壓表示成輸入端的多階函數(shù)合。

圖2差分輸出電壓擺
Vout+=k1Vin+k2Vin2+k3Vin3+…,（1）

Vout-=k1(-Vin)+k2(-Vin)2+k3(-Vin)3+…（2）

Vod=Vout-Vout-=2k1Vin+2k3Vin3+…(3)

從式（3）中可以看出，偶數(shù)階被消去了。

為了適應(yīng)市場(chǎng)的發(fā)展，各家公司紛紛推出了各自的差分放大器產(chǎn)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。憑借著工藝的進(jìn)步，這些產(chǎn)品的技術(shù)參數(shù)都達(dá)到了很高的水平。以AD4937為例，其輸入電壓噪聲為2.2nV/√Hz；1.6GHz的-3dB帶寬，增益G=1；壓擺率為5000V/μS；在125MHz時(shí)有0.1dB增益平坦度帶寬；能驅(qū)動(dòng)從直流到100MHz的ADC。

差分放大器勝出的原因

用變壓器和放大器來驅(qū)動(dòng)ADC各有勝場(chǎng)。變壓器是無源器件，不會(huì)引入噪聲，而且具有電流隔離能力，但是受到的限制比放大器要多。放大器提供的增益大，在通帶上也能提供更平坦的頻率響應(yīng)，不會(huì)產(chǎn)生紋波。

選擇放大器而不選擇變壓器的最主要原因是為了得到更好的通帶平整度，放大器在頻率范圍內(nèi)只會(huì)有±0.1dB的波動(dòng)性。而變壓器的頻率響應(yīng)變化不定，不適合有明確平整度要求的設(shè)計(jì)。

放大器的驅(qū)動(dòng)能力也強(qiáng)與變壓器。變壓器不能用來驅(qū)動(dòng)PC板上的長(zhǎng)引線。它們應(yīng)該被直接與ADC相連。如果系統(tǒng)要求“驅(qū)動(dòng)器／耦合器”必須遠(yuǎn)離ADC，或在另一塊板上，則強(qiáng)烈推薦使用放大器。

直流耦合也是使用放大器的原因之一，由于變壓器本身是交流耦合的。如果頻譜的直流成分在應(yīng)用中十分重要，一些高頻放大器能在一直降低到直流的所有頻率上進(jìn)行耦合。ADA4937就是這樣的典型，它也能提供動(dòng)態(tài)隔離，是大約30～40dB的反向隔離，可抑制來自無緩沖ADC輸入端電流瞬態(tài)的反射尖峰脈沖。

放大器的輸入與輸出阻抗與其增益無關(guān)。以ADA4937為例，它帶來的源阻抗通常會(huì)低于5Ω。值得一提的是，由于ADA4937能處理很大的輸出共模電壓范圍，因此其主要優(yōu)勢(shì)是應(yīng)用于ADC的直流耦合應(yīng)用中。

總的來說，高速差分放大器讓包含高速ADC的信號(hào)鏈設(shè)計(jì)更加靈活，而且隨著工藝的進(jìn)步，噪聲等不利因素也在逐步消減中。選擇差分放大器，能更好地發(fā)揮ADC的潛能。