全差分放大器在高速信号处理中使用很广,本篇将介绍全差分放大器与通用放大器的区别,以及通过LTspice仿真全差分放大器工作方式,重点讨论全差分放大器电路的输入端配置设计,并推荐一款软件解决设计痛点,高效实现全差分放大器输入端配置与噪声评估。
1 全差分放大器特点与仿真
如图3．31(a),通用放大器具有一组差分输入端(正输入、负输入),一个以系统地为参考的输出端,以及两个电源输入端,连接到供电系统,电源端通常在电路符号中隐藏。
如图3．31(b),全差分放大器不同点在于增加第二个输出端,形成差分输出的操作方式。增加输出共模电压参考端,方便配置输出信号的偏置电压范围。
图3．31 通用放大器与全差分放大器符号
全差分放大工作电路如图3．32,每个输出端使用一个反馈电阻Rf,构建2组反馈回路。每个输入端使用一个Rg作为差分输入电阻,在电路工作过程中与通用放大电路相比,具有以下特点:
图3．32 全差分放大器工作电路
(1)全差分放大电路增益为Rf与Rg的比值。
(2)全差分放大器的输入端电压(Vin+,Vin-)相互跟随。
(3)全差分放大器的输出范围扩展一倍。
(4)全差分放大器两个输出端(Vout+,Vout-)的交流信号频率相同,幅值相等,相位相差180°,所以输出信号的偶次谐波可以抵消,降低输出信号失真。
(5)全差分放大器两个输出端直流信号的平均值近似等于Vocm,但不是绝对相等。二者之间存在的差值定义为输出共模失调电压Vos,CM。如图3．33,在25℃环境中,供电电压为10V时,ADA4945的输出共模失调电压典型值为±5mV,最大值为±60mV。
(6)为评估全差分放大器的输出差分信号的幅度匹配,相位偏离180°的程度。引入平衡的概念,等于输出共模电压值除以输出差模电压值,如式3-13。
图3．33 ADA4945的Vocm特性
如图3．34,为ADA4945全差分放大器的信号调理电路,工作电源为±5V,输出共模电压设置为2．5V,两组输入信号的共模电压为1V,差模信号幅值为±50mV,电阻误差为1%。
图3．34 ADA4945工作电路
仿真结果如图3．35,信号源V(in+),V(in-)分别提供具有1V直流偏置,峰峰值为100mV 相位相差180°,频率为20KHz的正弦波。ADA4945输出信号V(vop),V(von)分别是以接近输出共模电压Vocm为共模信号,峰峰值为100mV,相位相差180°,频率为20KHz的正弦波。输出信号V(vop),V(von)的共模信号与所配置的输出共模电压Vocm之间存在输出共模失调电压为46．67mV。ADA4945的两个输入引脚电压紧密跟随电压V(vip)、V(vin)之差为0V。ADA4945输出的差模信号是峰峰值为200mV,频率为20KHz的正弦波。
图3．35 ADA4945工作仿真结果
2 全差分放大电路输入端配置
全差分放大电路设计中,输入接口的匹配需要谨慎分析,尤其单端信号输入情况的分析步骤十分复杂。主要体现在单端输入信号的内阻,和匹配的特征电阻对电路闭环增益的影响,计算过程需要多次迭代。
(1)差分信号输入结构
如图3．36(a)差分输入结构,在传输信号较长的电路中,需要使用一个匹配电阻Rt并联在输入端,达到电路预期的特征阻抗RL_dm。如图3．36(b),匹配电阻的阻值,如式3-14。
其中,Rin_dm为电路差模输入阻抗,由于全差分放大器的两个输入端近似短路输入阻抗为2倍Rg。RL_dm为输入端预期的差模特征电阻。
当Rf与Rg为500Ω,输入端期望差模阻抗为100Ω时,代入式3-14计算匹配电阻Rt为111Ω。
图3．36差分输入结构的匹配电路
(2)单端信号输入结构
如图3．37(a)为单端信号输入的全差分电路,电阻Rg、Rf均为500Ω,电路预期增益为1倍。使用峰峰值为1V的单端信号Vin连接到端口,输入阻抗Rin为Rg、Rf、Rf并联阻抗与Rg之和,即:
如图3．37(b),信号源Vin的内阻Rs为50Ω时,需要的匹配电阻Rt的阻值为:
图3．37 单端输入信号的全差分电路
如图3．37(b),信号源Vin会在内阻Rs与匹配电阻Rt产生分压Vi,使用戴维南定律将输入信号源Vin等效为具有内阻为Rts的信号源Vi,如图3．37(c)。其中Rts值为Rs与Rt的并联值。示例中Rts为25．96Ω,Vi为519．23mV。
再将等效信号源Vi代入图3．37(b)。为保证差分输入端阻抗相等,在同相输入端增加电阻Rth,阻值与Rts相同,得到电路3．38(a),此时该电路的输出差模电压为:
计算结果与1V的期望输出电压Vout_ideal存在差异,需要对Rf进行调整改变增益,即修正Rf值为:
使用Rf1值替换Rf值,并恢复为戴维南等效前的电路,得到最终电路架构,如图3．38(b)。由于Rf值从500Ω修正为1．012KΩ,所以电路输入电阻Rin发生变换,重新迭代上述计算过程,Rin修正值Rin1为705．6Ω,Rt修正值Rt1为53．56Ω,Rts、Rth修正值Rts1、Rth1为25．86Ω,所产生新电压源Vi1为517．188mV,使用修正后参数电路的输出电压Vout1为:
图3．38 单端输入匹配等效电路
计算结果0．99531V接近预期输出电压1V。在单端信号输入的全差分放大电路中,预期增益为1倍、2倍时,迭代一次获得的参数能够接近预期结果。而高增益电路设计的计算量十分巨大,所以推荐一款ADI全差分放大器参数配置软件“ADI DiffAmpCalc™”。
如图3．39,安装工具之后,通过“▼”选择所需型号ADA4945,在“Resister Tolerance” 项选择电阻精度为E96,在“Topology”项选择输入方式为“Terminate”,然后配置电路增益为1,设置电阻Rg为499Ω,输入信号峰峰值为1V,信号源阻抗为50Ω,工具将自动计算Rtp为53．6Ω,反相输入匹配源电阻值为25．8Ω,与上述理论计算值接近。
如图3．39ADI DiffAmpCalc™工具配置ADA4945参数
3 全差分放大电路噪声评估
全差分放大电路的噪声分析相比增益配置更为复杂。如图3．40为ADA4945-1的差分电路噪声模型,包括折算到输入端的电压噪声VnIN,电流噪声inIN−和inIN+(假定相等),通过增益电阻和反馈电阻的并联组合产生噪声电压。VnCM是VOCM引脚的噪声电压密度。每个电阻产生的噪声。
图3．40 ADA4945电路噪声模型
全差分放大器的输入端所用噪声种类,折算到输出端噪声的关系,如图3．41。
其中,噪声增益Gn为式3-15。
反馈因子β1为式3-16,β2为式3-17。
当RF1与RF2,RG1 与RG2完全匹配,β1与β2相同,设为β,代入式3-15整理得到式3-18。
此时VOCM输出噪声变为零。总输出噪声VnOD是各输出噪声项的均方根之和,如式3-19。
图3．41ADA4945电路噪声电压密度
然而,全差分放大电路的噪声分析并非独立参数计算,它会涉及增益的调整,增益电阻、反馈电阻的调整,这些调整还会影响电路功耗,计算过程需要大量迭代,由此产生的计算工作量是惊人的。如图3．42所示配置相比图3．37的配置,噪声RMS值下降34．9uV,但功耗却增加27mW。
图3．42 ADA4945电路配置Rg为200增益为1的噪声计算结果
综上,在全差分放大器的设计与评估中,建议大家有辅助工具的优先使用辅助工具进行评估。笔者在这里曾走过弯路,2011年从事研发时,在一个高速采集板卡中使用ADA4932设计三级放大电路,包括单端转差分增益5倍,全差分增益2倍,全差分增益1倍。尤其是单端转差分5倍增益的电路输入端配置设计,通过几天计算出多组数据准备评估,洋洋得意的坐在试验台前准备验证的时候,突然察觉在迭代过程中忽略选取标准电阻的阻值,这些计算的结果只能通过电阻拼接实现,一股热血瞬间涌向天门穴,内心千万头神兽奔腾而过,深切领悟人和动物的本质区别是要制造和使用工具啊!所以,再次建议使用ADI DiffAmpCalc™工具。
