超低失真電流反饋差分 ADC 驅動器 ADA4927-1/ADA4927-2 深度剖析

在電子工程師的日常設計工作中，選擇合適的 ADC 驅動器至關重要。今天，我們就來深入了解一款性能卓越的超低失真電流反饋差分 ADC 驅動器——ADA4927-1/ADA4927-2。

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一、產品概述

ADA4927 是一款低噪聲、超低失真、高速的電流反饋差分放大器，非常適合驅動分辨率高達 16 位、頻率從直流到 100 MHz 的高性能 ADC。它采用了 Analog Devices 公司的硅鍺互補雙極工藝，輸入電壓噪聲僅為 1.3 nV/√Hz，能夠實現極低的失真水平。

二、產品特性

（一）超低諧波失真

在不同頻率下，ADA4927 都展現出了出色的諧波失真性能。例如，在 10 MHz 時，HD2 為 -105 dBc，HD3 為 -103 dBc；在 70 MHz 時，HD2 為 -91 dBc，HD3 為 -98 dBc；在 100 MHz 時，HD2 為 -87 dBc，HD3 為 -89 dBc。而且，與電壓反饋放大器相比，它在更高增益下具有更好的失真性能。

（二）低輸入電壓噪聲

輸入電壓噪聲僅為 1.4 nV/√Hz，能夠有效降低系統噪聲，提高信號質量。

（三）高速性能

• -3 dB 帶寬高達 2.3 GHz，能夠滿足高速信號處理的需求。
• 0.1 dB 增益平坦度可達 150 MHz，保證了信號在較寬頻率范圍內的穩定放大。
• 壓擺率為 5000 V/μs，25% 到 75% 響應迅速。
• 0.1% 建立時間僅為 10 ns，能夠快速穩定輸出信號。

（四）其他特性

• 低輸入失調電壓，典型值為 0.3 mV。
• 外部可調增益，可根據實際需求靈活調整。
• 穩定性和帶寬由反饋電阻控制，設計更加靈活。
• 支持差分 - 差分或單端 - 差分操作。
• 可調輸出共模電壓，方便與 ADC 輸入共模電平匹配。
• 寬電源操作范圍，從 +5 V 到 ±5 V。

三、應用領域

ADA4927 具有廣泛的應用領域，包括但不限于：

• ADC 驅動：為高性能 ADC 提供低失真、低噪聲的驅動信號。
• 單端 - 差分轉換：將單端信號轉換為差分信號，提高信號抗干擾能力。
• IF 和基帶增益模塊：在中頻和基帶信號處理中提供增益。
• 差分緩沖：對差分信號進行緩沖和放大。
• 差分線驅動：驅動差分線路，實現信號的遠距離傳輸。

四、規格參數

（一）±5 V 操作

在 ±5 V 電源供電、TA = 25°C 的條件下，ADA4927 具有以下性能參數：

• 動態性能：
  • -3 dB 小信號帶寬：VOUT, dm = 0.1 V p-p 時，為 2300 MHz。
  • -3 dB 大信號帶寬：VOUT, dm = 2.0 V p-p 時，為 1500 MHz。
  • 0.1 dB 平坦度帶寬：ADA4927-1 在 VOUT, dm = 0.1 V p-p 時為 150 MHz；ADA4927-2 在 VOUT, dm = 0.1 V p-p 時為 120 MHz。
  • 壓擺率：VOUT, dm = 2 V 階躍、25% 到 75% 時，為 5000 V/μs。
  • 0.1% 建立時間：VOUT, dm = 2 V 階躍時，為 10 ns。
  • 過載恢復時間：VIN = 0 V 到 0.9 V 階躍、G = 10 時，為 10 ns。
• 噪聲/諧波性能：
  • 二次諧波：VOUT, dm = 2 V p-p、10 MHz 時，為 -105 dBc；70 MHz 時，為 -91 dBc；100 MHz 時，為 -87 dBc。
  • 三次諧波：VOUT, dm = 2 V p-p、10 MHz 時，為 -103 dBc；70 MHz 時，為 -98 dBc；100 MHz 時，為 -89 dBc。
  • IMD：f1 = 70 MHz、f2 = 70.1 MHz、VOUT, dm = 2 V p-p 時，為 -94 dBc；f1 = 140 MHz、f2 = 140.1 MHz、VOUT, dm = 2 V p-p 時，為 -85 dBc。
  • 電壓噪聲（RTI）：f = 100 kHz、G = 28 時，為 1.4 nV/√Hz。
  • 輸入電流噪聲：f = 100 kHz、G = 28 時，為 14 pA/√Hz。
  • 串擾：f = 100 MHz、ADA4927-2 時，為 -75 dB。
• 輸入特性：
  • 失調電壓：VIP = VIN = VOCM = 0 V 時，為 -1.3 到 +0.3 到 +1.3 mV，tMIN 到 tMAX 變化為 ±1.5 μV/°C。
  • 輸入偏置電流：為 -15 到 +0.5 到 +15 μA，tMIN 到 tMAX 變化為 ±0.1 μA/°C。
  • 輸入失調電流：為 -10.5 到 -0.6 到 +10.5 μA。
  • 輸入電阻：差分為 14 Ω，共模為 120 kΩ。
  • 輸入電容：差分為 0.5 pF。
  • 輸入共模電壓范圍：為 -3.5 到 +3.5 V。
  • 共模抑制比（CMRR）：為 -70 到 -93 dB。
  • 開環跨阻：為 120 到 185 kΩ。
• 輸出特性：
  • 輸出電壓擺幅：每個單端輸出，RF = RG = 10 kΩ 時，為 -3.8 到 +3.8 V。
  • 線性輸出電流：為 65 mA p-p。
  • 輸出平衡誤差：?VOUT, cm/?VOUT, dm、?VOUT, dm = 1 V、10 MHz 時，為 -65 dB。

（二）+5 V 操作

在 +5 V 電源供電的條件下，ADA4927 也具有相應的性能參數，具體可參考數據手冊。

（三）絕對最大額定值

• 電源電壓：11 V。
• 功率耗散：需參考相關圖表。
• 輸入電流：+IN、-IN、PD 為 ±5 mA。
• 存儲溫度范圍：-65°C 到 +125°C。
• 工作溫度范圍：-40°C 到 +105°C。
• 引腳溫度（焊接，10 秒）：300°C。
• 結溫：150°C。

（四）熱阻

• 16 引腳 LFCSP（暴露焊盤）：87 °C/W。
• 24 引腳 LFCSP（暴露焊盤）：47 °C/W。

（五）最大功耗

ADA4927 封裝的最大安全功耗受芯片結溫（TJ）上升的限制。在約 150°C 的玻璃化轉變溫度下，塑料會改變性能。即使暫時超過此溫度限制，也可能改變封裝對芯片施加的應力，永久性地改變 ADA4927 的參數性能。長時間超過 150°C 的結溫可能導致硅器件發生變化，可能導致故障。

五、引腳配置和功能描述

（一）ADA4927-1

（二）ADA4927-2

ADA4927-2 采用 24 引腳 LFCSP 封裝，各引腳功能可參考數據手冊中的詳細描述。

六、典型性能特性

通過一系列的圖表，我們可以直觀地了解 ADA4927 在不同條件下的性能表現，包括不同增益、不同電源、不同溫度、不同負載和不同 VOCM 水平下的頻率響應、諧波失真、無雜散動態范圍、串擾、CMRR、PSRR、輸出平衡、回波損耗等特性。這些特性對于工程師在實際設計中選擇合適的工作條件和參數具有重要的參考價值。

七、測試電路

數據手冊中提供了多種測試電路，包括基本測試電路、輸出平衡和 CMRR 測試電路、失真測量測試電路等。這些測試電路可以幫助工程師準確測量 ADA4927 的各項性能參數，驗證其是否滿足設計要求。

八、應用信息

（一）分析應用電路

ADA4927 利用高開環跨阻和負電流反饋來控制差分輸出電壓，以最小化差分誤差電流。在大多數情況下，可以假設這些誤差電流為零，并且放大器輸入之間的電壓內部自舉為 0 V，因此可以采用類似于電壓反饋放大器的方法進行外部分析。同樣，實際輸出共模電壓與施加到 VOCM 的電壓之間的差異也可以假設為零。基于這些原理，可以分析任何應用電路。

（二）設置閉環增益

差分增益可以通過公式 (G{dm}=frac{V{OUT, dm}}{V{IN, dm}}=frac{R{F}}{R_{G}}) 來確定，前提是兩側的輸入電阻（RG）和反饋電阻（RF）值相等。

（三）估計輸出噪聲電壓

可以使用噪聲模型來估計 ADA4927 的差分輸出噪聲。輸入參考噪聲電壓密度 vnIN 被建模為差分輸入，噪聲電流 inIN - 和 inIN + 出現在每個輸入與地之間。由于 vnIN 產生的輸出電壓通過將 vnIN 乘以噪聲增益 GN 獲得。噪聲電流是不相關的，具有相同的均方值，每個噪聲電流產生的輸出電壓等于噪聲電流乘以相關的反饋電阻。當反饋網絡具有相同的反饋因子時，vnCM 產生的輸出噪聲是共模的。四個電阻中的每個電阻貢獻 ((4kTRxx)^{1/2})。反饋電阻的噪聲直接出現在輸出端，每個增益電阻的噪聲乘以 RF/RG 后出現在輸出端。總差分輸出噪聲密度 (v_{nOD}) 是各個輸出噪聲項的均方根。

（四）反饋網絡失配的影響

即使外部反饋網絡 ((R{F} / R{G})) 失配，內部共模反饋環仍會迫使輸出保持平衡。每個輸出處的信號幅度保持相等且相位相差 180°。輸入 - 輸出差分模式增益與反饋失配成比例變化，但輸出平衡不受影響。從 VOCM 引腳到 (V{O, dm}) 的增益等于 (2(beta 1 - beta 2) / (beta 1 + beta 2))。在大多數應用中，反饋環名義上匹配在 1% 以內，VOCM 輸入引起的輸出噪聲和失調可以忽略不計。如果有意使環路失配很大，則需要考慮從 VOCM 到 (V{O, dm}) 的增益項并考慮額外的噪聲。

（五）計算應用電路的輸入阻抗

對于平衡差分輸入信號，輸入阻抗 (R{IN, dm}=R{G}+R{G}=2 × R{G})；對于不平衡的單端輸入信號，輸入阻抗的計算公式為 (R{IN}=frac{R{G}(1 + frac{R{F}}{R{G}})}{2})。

（六）單端輸入的端接

對于單端輸入的 ADA4927，需要進行適當的端接。具體步驟包括計算輸入阻抗、計算端接電阻、添加校正電阻和調整反饋電阻以獲得所需的輸出電壓。

（七）輸入共模電壓范圍

ADA4927 的輸入共模范圍在兩個電源軌之間居中，適用于交流耦合、差分 - 差分和雙電源應用。在 ±5 V 電源下，放大器求和節點的輸入共模范圍為 -3.5 V 到 +3.5 V；在 +5 V 單電源下，為 +1.3 V 到 +3.7 V。為避免非線性，+IN 和 -IN 端子的電壓擺幅必須限制在這些范圍內。

（八）輸入和輸出電容交流耦合

可以在源和 RG 之間插入輸入交流耦合電容，這會阻止直流共模反饋電流的流動，使 ADA4927 的直流輸入共模電壓等于直流輸出共模電壓。為保持反饋因子匹配，必須在兩個環路中都放置這些交流耦合電容。輸出交流耦合電容可以串聯放置在每個輸出和相應負載之間。

（九）設置輸出共模電壓

ADA4927 的 VOCM 引腳內部由兩個 10 kΩ 電阻組成的分壓器偏置，電壓約等于電源中點 ([(+Vs)+(-Vs)] / 2)。由于這個內部分壓器，VOCM 引腳根據外部施加的電壓和相關的源電阻來源和吸收電流。依靠內部偏置會使輸出共模電壓在預期值的約 100 mV 以內。如果需要精確控制輸出共模電平，建議使用源電阻小于 100 Ω 的外部源或電阻分壓器。也可以將 VOCM 輸入連接到 ADC 的共模電平（CML）輸出，但必須確保輸出具有足夠的驅動能力。VOCM 引腳的輸入阻抗約為 10 kΩ。如果多個 ADA4927 設備共享一個 ADC 參考輸出，可能需要一個緩沖器來驅動并行輸入。

（十）掉電

掉電功能可以在特定設備不使用時降低功耗，并且在激活時不會將輸出置于高阻態。通常通過將掉電引腳拉到正電源來啟用 ADA4927。在環境溫度低于 0°C 的應用中，不建議使用掉電功能。

九、布局、接地和旁路

作為高速設備，ADA4927 對其工作的 PCB 環境敏感。為實現其卓越性能，需要注意高速 PCB 設計的細節。具體要求包括：

• 提供一個盡可能覆蓋 ADA4927 周圍電路板面積的實心接地平面，但要清除反饋電阻（RF）、增益電阻（RG）和輸入求和節點（引腳 2 和引腳 3）附近的所有接地和電源平面，以最小化這些節點的雜散電容，防止放大器在高頻下出現峰值響應。
• 盡可能靠近設備對電源引腳進行旁路，并直接連接到附近的接地平面。使用高頻陶瓷貼片電容，建議每個電源使用兩個并聯的旁路電容（1000 pF 和 0.1 μF），1000 pF 電容應更靠近設備。在更遠的地方，使用 10 μF 鉭電容從每個電源到地提供低頻大容量旁路。
• 使信號布線短而直接，以避免寄生效應。只要存在互補信號，就提供對稱布局以最大化平衡性能。在長距離路由差分信號時，將 PCB 走線靠近放置，并扭轉任何差分布線，以使環路面積最小化，從而減少輻射能量并使電路更不易受到干擾。

十、高性能 ADC 驅動

ADA4927 非常適合單電源下的高增益、寬帶交流耦合和差分 - 差分應用。與電壓反饋放大器相比，電流反饋架構在高增益下提供更好的失真和帶寬性能。例如，在驅動 AD9445 14 位、105 MSPS ADC 的電路中，ADA4927 消除了驅動 ADC 所需的變壓器，實現了單端 - 差分轉換和驅動信號的緩沖。通過在 ADA4927 輸入和輸出端進行交流耦合，可以減少噪聲帶寬并隔離驅動器輸出與 ADC 輸入。

十一、總結

ADA4927-1/ADA4927-2