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ADC驅動器或差分放大器設計指南

作者: 時間:2010-11-02 來源:網絡 收藏

注意,1.1Vp-p的Thévenin電壓要大于1Vp-p的正確端接電壓,而每個增益電阻增加了27.6Ω,降低了閉環增益。對于大電阻(>1kΩ)和低增益(1或2)來說這些相反的效應基本抵消,但對于小電阻或較高增益來說并不能完全抵消。圖8所示電路現在分析起來就很容易了,其中的輸出電壓可以用公式14計算。

eq14
(14)

輸出電壓并不完全等于理想的1Vp-p ,但可以通過修改反饋電阻實現最終獨立的增益調整,如公式15所示。

eq15
(15)

圖9是用標準1%精度電阻實現的完整電路。

complete single-ended termination

圖9:完整的單端端接電路。

觀察: 參考圖9,的單端輸入電阻RIN, se由于RF和RG的改變而變化。上端環路的增益電阻是200Ω,下端環路的電阻是200Ω+28Ω=228Ω。在不同增益電阻值的情況下計算RIN, se首先要求計算兩個β值,見公式16和公式17。

eq16
(16)
eq16
(17)

輸入電阻RIN, se的計算見公式18。

eq18
(18)

這個值與原來計算的267Ω稍有不同,但對RT的計算沒有顯著的影響,因為RIN, se與RT是并聯的關系。

如果需要更精確的總體增益,可以使用更高精度或串聯的可調電阻。

上述描述的單次迭代方法非常適合閉環增益為1或2的場合。增益越高,RTS的值越接近RG值,用公式18計算的RIN, se值與用公式12計算的RIN, se值之間的差異就越大。在這些情況下要求采用多次迭代。

多次迭代并不難實現:最近ADI公司發布的可下載的計算工具, ADIsimDiffAmp™(參考文獻2)和 ADI Diff Amp Calculator™(參考文獻3)足以擔當此任,它們能在幾秒內完成上述計算。

輸入共模電壓范圍
輸入共模電壓范圍(ICMVR)規定了正常工作狀態下可以施加于差分輸入端的電壓范圍。在這些輸入端上呈現的電壓可以被稱為ICMV、Vacm或VA±。這個ICMVR指標經常被誤解。最常遇到的難題是確定差分輸入端的實際電壓,特別是相對于輸入電壓而言。知道變量VIN, cm、β和VOCM的值后,當β不相等時使用通式19、當β相等時使用簡化公式20就可以計算出放大器的輸入電壓(VA±)。

eq19
(19)
eq20
(20)

記住VA始終是按比例縮小的輸入信號,這一點非常有用(見圖4)。不同的放大器類型有不同的輸入共模電壓范圍。ADI公司的高速差分有兩種輸入級配置,即中心型和偏移型。中心型驅動器的輸入電壓離每個電壓軌有約1V的距離(因此叫中心型)。而偏移型輸入級增加了兩個晶體管,允許輸入端電壓擺幅更接近–VS軌。圖10是一個典型差分放大器(Q2和Q3)的簡化輸入原理圖。

diff amp with shifted icmvr

圖10:具有偏移型ICMVR的簡化差分放大器。

偏移型輸入架構允許差分放大器處理雙極性輸入信號,即使放大器是采用單電源供電,因此這種架構非常適合輸入是地或地電平以下的單電源應用。在輸入端增加的PNP晶體管(Q1和Q4)可以將差分對的輸入電壓向上偏移一個晶體管的Vbe電壓。例如,當-IN端電壓為-0.3V時,A點電壓將為0.7V,允許差分對正常工作。沒有PNP(中心型輸入級)時,A點的-0.3V電壓將使NPN差分對處于反向偏置狀態,因而無法正常工作。

表1提供了ADI公司驅動器的多數指標一覽表。對這張表粗略一看就能發現哪些驅動器具有偏移型ICMVR,哪些沒有。

輸入和輸出耦合:交流或直流
需要交流耦合還是直流耦合對差分ADC驅動器的選擇有很大的影響。輸入和輸出耦合之間的考慮因素也不同。

交流耦合型輸入級電路見圖11。

ac-coupled adc driver

圖11:交流耦合型ADC驅動器。

對于采用交流耦合輸入的差分至差分應用來說,放大器輸入端呈現的直流共模電壓等于直流輸出共模電壓,因為直流反饋電流被輸入電容隔離了。另外,直流反饋系數也是匹配的,完全等于單位1。VOCM——和由此得到的直流輸入共模電壓——經常被設置在電源電壓的一半左右。具有中心型輸入共模范圍的ADC驅動器非常適合這類應用,它們的輸入共模電壓接近規定范圍的中心。

交流耦合單端至差分應用與對應的差分輸入應用非常相似,但在放大器輸入端具有共模紋波——按比例縮小的輸入信號“復制品”。具有中心型輸入共模范圍的ADC驅動器將平均輸入共模電壓設定在規定范圍的中間,因而能為大多數應用中的紋波提供足夠的富余度。

當輸入耦合方式可選時,值得人們注意的是,采用交流耦合輸入的ADC驅動器比采用直流耦合輸入的相似驅動器耗散更少的功率,因為兩個反饋環路中都不存在直流共模電流。

當ADC要求輸入共模電壓與驅動器輸出端電壓完全不同時,交流耦合ADC驅動器的輸出就非常有用。當VOCM值被設在電源電壓一半附近時,驅動器將有最大的輸出擺幅,但當驅動要求非常低輸入共模電壓的低電壓ADC時會出現問題。走出這個困境的簡單方法(圖12)是驅動器輸出和ADC輸入之間采用交流耦合連接,從驅動器輸出中去除ADC的直流共模電壓,并允許適合ADC的共模電平應用于交流耦合側。例如,驅動器可以工作在單5V電源和VOCM=2.5V條件下,而ADC可以工作在單1.8V電源,此時在標記為ADC CMV的點必需施加0.9V的輸入共模電壓。

dc-coupled inputs, ac-coupled outputs

圖12:采用交流耦合輸出的直流耦合輸入電路。



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