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ADC驱动器或差分放大器设计指南

作者:时间:2010-11-02来源:网络收藏

注意,1.1Vp-p的Thévenin电压要大于1Vp-p的正确端接电压,而每个增益电阻增加了27.6Ω,降低了闭环增益。对于大电阻(>1kΩ)和低增益(1或2)来说这些相反的效应基本抵消,但对于小电阻或较高增益来说并不能完全抵消。图8所示电路现在分析起来就很容易了,其中的输出电压可以用公式14计算。

eq14
(14)

输出电压并不完全等于理想的1Vp-p ,但可以通过修改反馈电阻实现最终独立的增益调整,如公式15所示。

eq15
(15)

图9是用标准1%精度电阻实现的完整电路。

complete single-ended termination

图9:完整的单端端接电路。

观察: 参考图9,的单端输入电阻RIN, se由于RF和RG的改变而变化。上端环路的增益电阻是200Ω,下端环路的电阻是200Ω+28Ω=228Ω。在不同增益电阻值的情况下计算RIN, se首先要求计算两个β值,见公式16和公式17。

eq16
(16)
eq16
(17)

输入电阻RIN, se的计算见公式18。

eq18
(18)

这个值与原来计算的267Ω稍有不同,但对RT的计算没有显著的影响,因为RIN, se与RT是并联的关系。

如果需要更精确的总体增益,可以使用更高精度或串联的可调电阻。

上述描述的单次迭代方法非常适合闭环增益为1或2的场合。增益越高,RTS的值越接近RG值,用公式18计算的RIN, se值与用公式12计算的RIN, se值之间的差异就越大。在这些情况下要求采用多次迭代。

多次迭代并不难实现:最近ADI公司发布的可下载的计算工具, ADIsimDiffAmp™(参考文献2)和 ADI Diff Amp Calculator™(参考文献3)足以担当此任,它们能在几秒内完成上述计算。

输入共模电压范围
输入共模电压范围(ICMVR)规定了正常工作状态下可以施加于差分输入端的电压范围。在这些输入端上呈现的电压可以被称为ICMV、Vacm或VA±。这个ICMVR指标经常被误解。最常遇到的难题是确定差分输入端的实际电压,特别是相对于输入电压而言。知道变量VIN, cm、β和VOCM的值后,当β不相等时使用通式19、当β相等时使用简化公式20就可以计算出的输入电压(VA±)。

eq19
(19)
eq20
(20)

记住VA始终是按比例缩小的输入信号,这一点非常有用(见图4)。不同的类型有不同的输入共模电压范围。ADI公司的高速差分有两种输入级配置,即中心型和偏移型。中心型驱动器的输入电压离每个电压轨有约1V的距离(因此叫中心型)。而偏移型输入级增加了两个晶体管,允许输入端电压摆幅更接近–VS轨。图10是一个典型差分放大器(Q2和Q3)的简化输入原理图。

diff amp with shifted icmvr

图10:具有偏移型ICMVR的简化差分放大器。

偏移型输入架构允许差分放大器处理双极性输入信号,即使放大器是采用单电源供电,因此这种架构非常适合输入是地或地电平以下的单电源应用。在输入端增加的PNP晶体管(Q1和Q4)可以将差分对的输入电压向上偏移一个晶体管的Vbe电压。例如,当-IN端电压为-0.3V时,A点电压将为0.7V,允许差分对正常工作。没有PNP(中心型输入级)时,A点的-0.3V电压将使NPN差分对处于反向偏置状态,因而无法正常工作。

表1提供了ADI公司驱动器的多数指标一览表。对这张表粗略一看就能发现哪些驱动器具有偏移型ICMVR,哪些没有。

输入和输出耦合:交流或直流
需要交流耦合还是直流耦合对差分ADC驱动器的选择有很大的影响。输入和输出耦合之间的考虑因素也不同。

交流耦合型输入级电路见图11。

ac-coupled adc driver

图11:交流耦合型ADC驱动器。

对于采用交流耦合输入的差分至差分应用来说,放大器输入端呈现的直流共模电压等于直流输出共模电压,因为直流反馈电流被输入电容隔离了。另外,直流反馈系数也是匹配的,完全等于单位1。VOCM——和由此得到的直流输入共模电压——经常被设置在电源电压的一半左右。具有中心型输入共模范围的ADC驱动器非常适合这类应用,它们的输入共模电压接近规定范围的中心。

交流耦合单端至差分应用与对应的差分输入应用非常相似,但在放大器输入端具有共模纹波——按比例缩小的输入信号“复制品”。具有中心型输入共模范围的ADC驱动器将平均输入共模电压设定在规定范围的中间,因而能为大多数应用中的纹波提供足够的富余度。

当输入耦合方式可选时,值得人们注意的是,采用交流耦合输入的ADC驱动器比采用直流耦合输入的相似驱动器耗散更少的功率,因为两个反馈环路中都不存在直流共模电流。

当ADC要求输入共模电压与驱动器输出端电压完全不同时,交流耦合ADC驱动器的输出就非常有用。当VOCM值被设在电源电压一半附近时,驱动器将有最大的输出摆幅,但当驱动要求非常低输入共模电压的低电压ADC时会出现问题。走出这个困境的简单方法(图12)是驱动器输出和ADC输入之间采用交流耦合连接,从驱动器输出中去除ADC的直流共模电压,并允许适合ADC的共模电平应用于交流耦合侧。例如,驱动器可以工作在单5V电源和VOCM=2.5V条件下,而ADC可以工作在单1.8V电源,此时在标记为ADC CMV的点必需施加0.9V的输入共模电压。

dc-coupled inputs, ac-coupled outputs

图12:采用交流耦合输出的直流耦合输入电路。



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