全差分放大器的概念及其優勢

2020-12-12 電子產品世界

目前，世界上大多數的高速模數轉換器 (ADC)都具有差分輸入。這些ADC被廣泛的運用於多種終端的應用當中，但不僅僅局限於通信無線基礎設施和回傳，以及測試與測量示波器和頻譜分析儀。為了支持這一輸入架構，工程師必須設計與ADC進行差分對接的信號鏈。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201808/386908.htm

為了獲得最佳性能，用戶必須在信號鏈上選擇一個balun(平衡不平衡變換器)，雖然這可能會導致某些應用中的耦合問題。然而，耦合問題並不是總是發生，特別是在某些需要DC分量的測試和測量應用中更是如此。全差分放大器 (FDA)是一種多用途的工具，它可以替代balun(或與它一同使用)的同時，並且提供多種優點。與傳統的使用單端輸出的放大器相比，電路設計人員在使用由FDA實現的全差分信號處理頻譜分析儀時，能夠增加電路對外部噪聲的抗擾度，從而將動態範圍加倍，並且減少偶次諧波。

在這篇文章中，我們會回顧一下全差分放大器(FDA)的基本知識，FDA的重要技術規格，以及這些技術規格的含義，並且談一談如何使用一個balun類型的FDA，從而實現信號鏈與額外性能的對接。

FDA是什麼?

想像一下，如果你不使用高級器件——FDA集成電路來驅動差分ADC。除了balun，一個解決方案就需要通過兩個運算放大器來提供差分信號，其中一個運算放大器提供正(VIN+)輸入信號，另外一個提供負(VIN-)輸入信號。如果想要在運算放大器 (op amp)外部建立適當增益，你將總共需要使用8個電阻器，這設計起來將會十分複雜。現在，工程師只需要一半數量的電阻器和一個IC，就可以使用一個FDA來提供ADC的單端至差分接口和一個差分至差分接口。同時，這個IC無需balun便可以使得DC分量導通，這一點不同於提供DC隔離的balun。這個的關鍵點是在許多應用中需DC和低頻的出色的頻率響應。

那麼，FDA到底是什麼呢?基本上來說，FDA是具有兩個放大器的器件。主差分放大器(從VIN至VOUT)由多個反饋路徑和Vocm誤差放大器組成，而Vocm誤差放大器更多情況下被稱為共模輸出放大器。

我們先來討論一下Vocm誤差放大器。Vocm放大器在內部採樣差分電壓(VOUT+和VOUT–)，並且將這個電壓與施加到VOCM引腳上的電壓相比較。通過一個內部反饋環路，Vocm放大器將Vocm誤差放大器的「誤差」電壓(輸入引腳間的電壓)驅動為0，這樣的話，VOUT_cm(圖1)= Vocm。如果VOCM引腳保持在懸空的狀態時，通常由一個內部分壓器將偏置點的預設值設定為VCC/2(電源間的中間位置)。(VOCM)引腳上的Vocm設置會影響到總體輸出擺幅(稍後討論)。這些特性不同於具有單端輸出的傳統運算放大器。在傳統運算放大器中，輸出共模電壓和單端輸出實際上是會影響到運算放大器的動態範圍的同一信號。

除了Vocm誤差放大器，FDA中的主差分放大器具有VOUT+和VOUT—輸出和多條反饋路徑。在分析這個放大器時，最好將它想像成為包含兩條反向的反饋路徑。一條路徑是一個反向輸入到非反向輸出，另外一條路徑是非反向輸入到一個反向輸出(圖1)。為了使FDA正常運行，兩條路徑都必須關閉。並且，為了保持平衡，反饋路徑也最好保持相等。對於這兩個路徑的分析是非常複雜的。為了有助於介紹FDA的基本知識和它們在輔助設計中所發揮的作用，本文中對於它們的分析相對簡單。想要了解基本FDA輸入和輸出電壓定義，請見圖1。

圖1：全差分放大器的典型圖

圖2：基本FDA增益配置，差分輸入至差分輸出

在圖2中，我們已經將外部電阻器添加到基本的FDA圖中，用來設定增益。正是因為如此，對於內部差分放大器的分析開始變得複雜了。出於簡化的目的，我們將β1和β2指定為反饋項。

通過這兩個方程式，我們來看一看由反饋、VIN+、VIN–和Vocm組成的VOUT(diff) 方程式。

方程式 (3) 顯示的是，在反饋項不相等的情況下，差分輸出電壓取決於Vocm。從這點我們可以看出，反饋項應該相等，或者儘可能地接近，這一點很重要，這是因為Vocm項會產生偏移和噪聲。反饋項應該等於方程式，這個方程式可簡化為：

FDA的優點

本章結合了FDA的基礎知識來討論FDA的優點。由於差分架構的固有屬性，FDA還可以幫助提升系統的動態範圍。當信號在穿過印刷電路板(PCB)、電纜和接線，以及通過信號與接地路徑時，系統噪聲會累加，並且會影響到動態範圍。

FDA的抗噪性是差分結構的內在屬性。它可以在輸入上抑制耦合噪聲。通常表現為典型運算放大器內的共模電壓的電源和輸出。根據方程式 (4)，在FDA中實現了平衡，Vocm被消除了，或者是數值太低，無法提供這個優勢。由於因為每個部件都有不同的基準點，因此單端組件不能抑制接地噪聲。儘管將大量的設計工作被用來將高頻接地電流接地，但是，在差分信令提升性能的地方還是會出現問題。在一個典型運算放大器中累積的噪聲會降低信噪比(SNR)性能，從而影響系統設計。

除了FDA的共模抑制屬性所帶來的更大抗擾度，輸出之間的相位差使得輸出電壓擺幅是具有同樣電壓擺幅的單端輸出的兩倍(6dB)(圖3)。這種情況下，用同樣的電源增加了放大器的淨空，並且針對同樣的信號擺幅，允許使用功率更低的電源，從而使耗散降低。

圖3. FDA內的動態範圍增加

FDA和差分信號鏈的優點在於從根本上消除了偶次諧波。使用冪級數展開，指定一個正弦波輸入，並且忽略DC分量，圖5顯示的是放大器等(FDA)非線性差分器件內的二階諧波消除。雖然在理想器件中無法實現完全消除，但是這些產品中所採用的平衡設計(在誤差範圍內)需要優於單端配置(圖4)。

圖4. 單端放大器配置

圖5. 全差分放大器配置

FDA的另外一個優勢就是提供出色輸出均衡的能力，而這一點對於差分ADC的驅動很關鍵。進入ADC中的信號相位和幅度分量理想匹配，從而實現最佳性能。當幅度和相位其中的一個不均衡，或者二者均不平衡時，會在輸出上出現共模分量，從而使SNR的性能下降。為了實現相位平衡，一個理想FDA可以在VOUT+ and VOUT-信號之間提供180°的相位差。由於內部共模反饋電路強制輸出共模電壓與Vocm上施加的共模電壓相等，平衡誤差被降到最低。請見顯示性能的方程式 (5)，其中給出了平衡誤差的計算方法：

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