差分驅(qū)動(dòng)器基礎(chǔ)知識

　　目前許多高性能ADC設(shè)計(jì)均采用差分輸入。全差分ADC設(shè)計(jì)具有共模抑制性能出色、二階失真產(chǎn)物較少、直流調(diào)整算法簡單的優(yōu)點(diǎn)。盡管可以單端驅(qū)動(dòng)，但全差分驅(qū)動(dòng)器通常可以優(yōu)化整體性能。

　　差分設(shè)計(jì)固有的低二階失真產(chǎn)物如下所示。失真產(chǎn)物可以通過將電路傳遞函數(shù)表達(dá)為冪級數(shù)來建立模型。

　　進(jìn)行輸出一般擴(kuò)展并假設(shè)放大器匹配，我們得到：

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　　采用差分輸出：

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　　其中k1、k2和k3為常數(shù)。

　　二次項(xiàng)引起二階諧波失真，三次項(xiàng)引起三階諧波失真，如此等等。在一個(gè)全差分放大器中，奇數(shù)階項(xiàng)保留極性，而偶數(shù)階項(xiàng)則始終為正。當(dāng)采取差分時(shí)，偶數(shù)階項(xiàng)如等式3所示消除。三階項(xiàng)不受影響。

　　差分輸入ADC的一種最常用驅(qū)動(dòng)方法是使用變壓器。不過，因?yàn)轭l率響應(yīng)必須延伸至直流，許多應(yīng)用無法使用變壓器來驅(qū)動(dòng)。這類情況就需要使用差分驅(qū)動(dòng)器。在ADC前面需要明顯信號增益的情況下，差分放大器提供一種不錯(cuò)的解決方案。盡管提供"無噪聲"電壓增益，但匝數(shù)比大于2的變壓器一般為帶寬和失真問題所困擾，在中頻時(shí)尤為明顯。

　　圖1所示為驅(qū)動(dòng)ADC而優(yōu)化的AD813x和ADA493x系列全差分放大器框圖。圖1A顯示內(nèi)部電路細(xì)節(jié)，而圖1B顯示等效電路。增益由外部電阻RF和RG設(shè)定，共模電壓由VOCM引腳上的電壓設(shè)定。內(nèi)部共模反饋強(qiáng)制VOUT+和VOUT–輸出保持平衡，即在兩個(gè)輸出端的信號根據(jù)等式幅值始終相等，但相位相差180°。

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　　圖1:AD813x、AD493x差分ADC驅(qū)動(dòng)器功能框圖及等效電路。

　　AD813x和ADA493x用兩個(gè)反饋環(huán)路，來分開控制差分輸出電壓和共模輸出電壓。外部電阻設(shè)定的差分反饋只控制差分輸出電壓。共模反饋控制共模輸出電壓。這種架構(gòu)方便在電平轉(zhuǎn)換應(yīng)用中任意設(shè)定輸出共模電平。內(nèi)部共模反饋強(qiáng)制其等于VOCM輸入上施加的電壓，而不影響差分輸出電壓。其結(jié)果是近乎完美的平衡差分輸出，在寬廣的頻率范圍內(nèi)其幅度完全相同，相位相差180°。該電路可配合差分或單端輸入使用，且電壓增益等于RF與RG之比。

　　該電路可使用圖2中所歸納的假設(shè)和程序來分析。如同運(yùn)算放大器電路直流分析的情況，我們可以先假設(shè)流入反相和同相輸入的電流為零(即輸入阻抗相對反饋電阻值較高)。第二個(gè)假設(shè)為反饋強(qiáng)制同相和反相輸入電壓相等。第三個(gè)假設(shè)為輸出電壓相位相差180°并在VOCM兩側(cè)對稱。

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　　圖2:差分放大器電平分析

　　即使外部反饋網(wǎng)絡(luò)(RF/RG)不匹配，內(nèi)部共模反饋環(huán)路仍將強(qiáng)制輸出保持平衡。每個(gè)輸出端的信號幅度保持相等，相位相差180°。輸入到輸出的差模增益變化與反饋的不匹配成比例，但輸出平衡不受影響。外部電阻的比例匹配誤差會(huì)導(dǎo)致電路抑制輸入共模信號的能力降低，非常類似于使用常規(guī)運(yùn)算放大器制成的四電阻差動(dòng)放大器。

　　而且，如果輸入和輸出共模電壓的直流電平不同，匹配誤差會(huì)導(dǎo)致一個(gè)細(xì)小的差模輸出失調(diào)電壓。對于G = 1,具有一個(gè)地基準(zhǔn)輸入信號且針對2.5 V設(shè)定輸出共模電平的情況，如果使用1%容差電阻，則可產(chǎn)生高達(dá)25 mV的輸出失調(diào)(1%共模電平差)。由于2.5 V電平轉(zhuǎn)換，1%容差的電阻將導(dǎo)致一個(gè)約40 dB的輸入CMR(最差情況)、25 mV的差模輸出失調(diào)(最差情況)，不會(huì)對輸出平衡誤差造成明顯惡化。

　　如圖2所示電路的有效輸入阻抗(在V IN+和V IN–端)取決于放大器是由單端信號源驅(qū)動(dòng)，還是由差分信號源驅(qū)動(dòng)。對于平衡差分輸入信號，兩個(gè)輸入端(V IN+和V IN– )之間的輸入阻抗(R IN,dm )為：

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　　若為單端輸入信號(例如，若V IN–接地，輸入信號接入V IN+ )，輸入阻抗則為：

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　　該電路的單端輸入阻抗高于作為反相放大器連接的常規(guī)運(yùn)算放大器，因?yàn)橐恍〔糠植罘州敵鲭妷涸谳斎攵吮憩F(xiàn)為共模信號，從而部分增加了輸入電阻RG兩端的電壓。