用差分放大器來驅動高速ADC

　　當今的世界是一個充斥著海量數據的世界。人們的生活從中獲益頗多，但系統設計者面臨的壓力卻日益增大，為模擬數字轉換器(ADC)挑選合適的驅動器就是一個重要課題。作為聯系現實世界和數據世界重要橋梁的ADC，往往要以數百兆赫茲的頻率和高達16位的分辨率來進行采樣工作。這樣，選擇與其相匹配的驅動器來充分發揮其潛力，就變得至關重要。高帶寬、高無雜散動態范圍、低噪聲和低失真度已成為挑選ADC驅動器的重要指標。

　　差分信號的優點

　　目前，用來驅動ADC的方案有兩種，第一種是使用變壓器，第二種則是差分放大器。不過，在介紹差分放大器之前，讓我們先來了解一下什么是差分信號。

　　簡單地講，差分信號就是兩個相關信號的差值，本文介紹的是電壓差分信號，它已經廣泛的用于音頻、數據傳輸和電話中。雖然比單端輸入信號系統要復雜，但差分信號系統的優點是明顯的。第一，差分信號對外部電磁干擾(EMI)是高度免疫的。一個干擾源對差分信號對的每一端影響都是相同的。因為由電壓差來決定信號，兩邊的干擾相抵，信號便不會有大幅的變化。第二，差分信號有利于識別微小信號。在差分信號系統中，基準點是由使用者來確定的，可以選擇兩輸入端的平均信號作為基準點，這就減小了信號的擺動范圍。第三，單端輸入系統的信號要依靠虛地，而差分信號就不需要這樣一個虛地，增加了雙極型信號的保真度和穩定性。第四，差分信號的時序定位精確。差分信號受工藝和環境溫度的影響小，可降低時序上的誤差。目前流行的LVDS就是一種小振幅差分信號技術。

　　差分放大器就是接受和輸出差分信號的器件，同運算放大器一樣，它能接收雙端輸入，不同的是它具有雙輸出端，而不像運算放大器只有單端口。在差分放大器中，其輸出共模電壓(VOCM)能獨立地被差分電壓控制。圖1是差分放大器的簡明原理圖。

　　圖1 標準的差分放大器

　　新型的差分放大器

　　差分放大器有幾個優點。第一是抗噪聲能力，這一點在介紹差分信號時已經提及了。第二個優點是增加了差分輸出電壓擺動(見圖2)。這其中的道理也不復雜，輸出端的兩電壓為反相，其差值當然是單端輸出的2倍了。第三個優點是減少了偶數階的信號失真。為了解釋這個道理，我們把輸出端電壓表示成輸入端的多階函數合。

　　圖2 差分輸出電壓擺

　　Vout+ = k1Vin + k2Vin2 + k3Vin3 + … , (1)

　　Vout- = k1(-Vin) + k2(-Vin)2 + k3(-Vin)3+… (2)

　　Vod = Vout-Vout-=2k1Vin + 2k3Vin3 + … (3)

　　從式(3)中可以看出，偶數階被消去了。

　　為了適應市場的發展，各家公司紛紛推出了各自的差分放大器產品，像ADI公司的AD4937/4938，TI公司的THS4520，MAXIM公司的MAX4198/MAX4199以及Linear公司的LTC6400等。憑借著工藝的進步，這些產品的技術參數都達到了很高的水平。以AD4937為例，其輸入電壓噪聲為2.2nV/√Hz; 1.6GHz的-3dB帶寬，增益G=1;壓擺率為5000V/μS;在125MHz時有 0.1dB增益平坦度帶寬;能驅動從直流到100MHz的ADC。

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　　差分放大器勝出的原因

　　用變壓器和放大器來驅動ADC各有勝場。變壓器是無源器件，不會引入噪聲，而且具有電流隔離能力，但是受到的限制比放大器要多。放大器提供的增益大，在通帶上也能提供更平坦的頻率響應，不會產生紋波。

　　選擇放大器而不選擇變壓器的最主要原因是為了得到更好的通帶平整度，放大器在頻率范圍內只會有