ADC驱动器或差分放大器设计汇总

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。

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”与传统运放一样，等于1/β。

反馈系数匹配的差分ADC驱动器的理想闭环增益见公式9。

(9)

输出平衡是差分ADC驱动器的一个重要性能指标，它分两个方面：幅度平衡和相位平衡。幅度平衡用于衡量两个输出在幅度方面的接近程度，对于理想放大器来说它们是完全一致的。输出相位平衡用于衡量两个输出的相位差与180°的接近程度。输出幅度或相位的任何失衡都会在输出信号中产生有害的共模分量。输出平衡误差(公式10)是差分输入信号产生的输出共模电压与相同输入信号产生的输出差模电压的对数比值，单位是dB。

(10)

内部共模反馈环路迫使VOUT, cm等于输入端VOCM的电压，从而达到完美的输出平衡。

将输入端接到ADC驱动器
处理高速信号的系统经常会用到ADC驱动器。分隔距离超过信号波长一小段的器件之间必须用具有受控阻抗的电气传输线连接，以避免破坏信号完整性。当传输线的两端用其特征阻抗端接时可以取得最佳性能。驱动器一般放在靠近ADC的地方，因此在它们之间不要求使用受控阻抗连接。但到ADC驱动器输入端的引入信号连接通常很长，必须采用正确电阻端接的受控阻抗连接。

不管是差分还是单端，ADC驱动器的输入阻抗必须大于或等于理想的终端电阻值，以便添加的终端电阻RT能与放大器输入端并联达到要求的电阻值。本文讨论的例子中的所有ADC驱动器都设计成具有平衡的反馈比，如图2所示。

图2：差分放大器的输入阻抗。