利用DiffAmpCalc?簡化全差分放大器系統設計 - 全文

作者：Zoltan Frasch和Tina Collins
　　
簡介

　　DiffAmpCalc?是一種交互式設計和參數仿真工具。它使耗時的計算自動化，從而輕松確定增益、終端電阻、功耗、噪聲輸出及輸入共模電壓的最佳水平。DiffAmpCalc通過為工程師提供高效且直觀的工具來減少設計風險。DiffAmpCalc的威力在于其以設計為導向的特性、易用性和內置差錯檢測功能。

　　該工具利用數據手冊上的參數以數學手段模擬放大器的行為，可加快ADI公司多款差分放大器的選型、評估和故障排除。數據手冊中未規定的參數，將根據數據手冊中的值和圖形進行外推。

　　其模擬的全差分放大器(FDA)有三類：帶用戶可選增益的FDA、帶預設增益的FDA以及全差分漏斗放大器。圖1為DiffAmpCalc圖形用戶界面(GUI)。本應用筆記說明DiffAmpCalc的主要特性。

圖1.DiffAmpCalc GUI

　　DIFFAMPCALC特性

　　DiffAmpCalc是一款強大的工具，擁有豐富的設計特性。其三個主要設計特性是電路定制、優化首選項以及用于各類配置的大量動態數據。用戶有多個設計定制選項。圖2所示為用戶可選的輸入拓撲（Single Ended（單端）或Differential（差分））、輸入耦合（交流或直流）及輸入端接（Terminate（端接））選項。圖3所示為輸出負載選項：None（無）、Differential（差分）、以地為基準(GND Referred)或以某個電壓為基準(V Referred)。

圖2.輸入拓撲、輸入耦合和輸入端接選項

圖3.輸出負載選項

　　如需高差分增益，級聯放大器級是一個選擇。確定設計尺寸之后，有多個優化特性可供使用，其中包括自動偏移、輸入跟蹤、增益計算、電阻容差和熱效應。

　　自動偏移(Auto Offset)開啟后，會自動調整輸入失調電壓，并將Vocm調到可用輸入和輸出電壓范圍的中心。此特性可使放大器的動態范圍最大化。

　　若想要保持平衡輸入，使能輸入跟蹤(Input Tracking)會很有用，因為它會自動平衡輸入幅度和失調。這是通過迫使反相和同相節點相等來實現的。選擇Auto Offset時，Input Tracking會禁用。Auto Offset和Input Tracking選項如圖4所示。

圖4.Input Tracking和Auto Offset

　　設置系統增益

　　DiffAmpCalc可簡化系統增益計算。將所需增益輸入實際增益(Actual Gain)文本框（參見圖5中的帶圈區域）以設置系統增益。

圖5.設置系統增益

　　它會提供所有元件值，利用滾動條可以按比例調整這些值。DiffAmpCalc的一個重要特性是，當用戶在拓撲(Topology)中選擇端接(Terminate)時（即選中圖2中的Terminate），它會計算元件值。需要輸入端接來匹配阻抗。利用匹配阻抗選項，系統設計者可以靈活地定義輸入源。例如，若使用信號發生器作為FDA的輸入，則需要雙重端接。

　　雙重端接需要端接電阻。這些電阻會影響系統增益。為使雙重端接拓撲保持相同的系統增益，需要以迭代方式重新計算反饋電阻和增益電阻。該過程在ADA4930-1數據手冊中有說明。

　　當在拓撲中選擇Terminate時，DiffAmpCalc會自動計算元件值，從而簡化迭代計算。此特性會動態更新相應的反饋和增益元件值。DiffAmpCalc中的迭代計算默認是隱藏的。利用鍵盤快捷鍵Alt + V可使計算可見。再次按下Alt + V又會隱藏計算。

　　利用誤差預算和電阻熱噪聲效應，DiffAmpCalc很容易幫助優化設計。通過選擇電阻容差(Resistor Tolerance)按鈕列出的下列選項之一，用戶可以選擇<1%到5%范圍內的電阻容差：None（無）、<1% (E192)、1% (E96)、2% (E48)或5% (E24)，如圖6所示。

　　當用戶定義環境溫度后，它就會計算電阻噪聲對性能的熱影響。電阻噪聲信息如圖7所示。

圖6.電阻容差選項

圖7.噪聲數據和輸入

　　仿真結果

　　每個節點的仿真結果會立即提供，因此可以進行實時分析。源電壓的節點數據和類似示波器的圖形以及放大器輸入/輸出電壓波形，對于快速了解元件和系統的權衡是很有利的。左鍵點擊類似示波器的顯示區，可以實現1×、2×、5×、10×、20×、50×和100×放大。右鍵點擊該顯示區會還原放大并縮小。

　　它會計算所有節點的直流和交流峰峰值電壓。輸入電壓指定為交流電壓，峰峰值疊加在直流失調偏置之上。如果峰值電流是考慮事項，則總功耗會被分為靜態功耗和動態功耗。圖8中，節點電壓顯示在電路圖的畫圈區域中，類似示波器的圖形顯示在電路圖右側帶框區域中。功耗計算位于帶框示波器區域下方。

圖8.突出顯示節點電壓和示波器狀顯示區的屏幕截圖

　　顯示的時域仿真對應于放大器頻率響應為平坦狀時的頻率。頻域仿真包括放大器的帶寬、噪聲和失真。噪聲和帶寬默認根據放大器的最大帶寬來計算。如果需要輸出端噪聲和失真的仿真結果，選擇輸出低通濾波器（Output LPF，圖8底部畫圈區域，屏幕中央）將給出用戶定義頻率下的噪聲和失真以及峰峰值幅度。使用DiffAmpCalc來選擇ADC 驅動器時，此信息會很有用，因為ENOB和SINAD會自動更新。如果系統增益大于4，HD2/HD3、THD/SNDR和ENOB會顯示N/A(不適用）。利用鍵盤快捷鍵Alt + N可使這些參數可見。

　　數據輸入

　　DiffAmpCalc支持通過點擊方法來輸入用戶自定義值，因此是一款高效率工具。使用滾動條和文本框輸入數據時，仿真結果可以動態更新。電壓滾動條的默認步長為100 mV。若要改變分辨率，請使用以下按鍵組合：

　　? ?1 V步長：Shift鼠標左鍵

　　? ?10 mV步長：Ctrl鼠標左鍵

　　? ?1 mV步長：Alt鼠標左鍵

　　單擊一個文本框內部會將其激活。激活文本框時，文本框顏色從白色變為綠色。激活文本框之后，用戶便可輸入數值、小數或負號。

　　內置差錯檢測功能

　　DiffAmpCalc有多個內置差錯檢測功能，可防止差分放大器常見問題混入設計中。當輸入的值超出規格范圍時，文本框會變為紅色，并會顯示一條警告消息，其中會給出自動糾正結果或為什么不允許沿當前方向進一步調整的原因。圖9為警告消息示例，圖10為建議修正示例。

圖9.警告消息

圖10.建議修正示例

　　當調整與某些條件一致時，會顯示一條警告消息，提醒用戶注意這些沖突情況。只要錯誤條件存在，警告消息就會一直顯示。修正解決被截斷輸入和輸出削波的快速方法是使能自動對齊(AutoAlign)特性。當輸入和/或輸出被截斷削波時，此特性是可見選項。AutoAlign特性會修正該問題，并設置輸入和Vocm以支持最大輸出動態范圍。圖11顯示了一個輸入被截斷削波的例子，其中出現了AutoAlign選項；圖12是AutoAlign修正后的情形。