作为应用工程师，我们经常遇到各种有关差分输入型高速模数转换器(ADC)的驱动问题。事实上，选择正确的ADC驱动器和配置极具挑战性。为了使鲁棒性ADC电路设计多少容易些，我们汇编了一套通用“路障”及解决方案。本文假设实际驱动ADC的电路——也被称为ADC驱动器或差分放大器——能够处理高速信号。
引言
大多数现代高性能ADC使用差分输入抑制共模噪声和干扰。由于采用了平衡的信号处理方式，这种方法能将动态范围提高2倍，进而改善系统总体性能。虽然差分输入型ADC也能接受单端输入信号，但只有在输入差分信号时才能获得最佳ADC性能。ADC驱动器专门设计用于提供这种差分信号的电路——可以完成许多重要的功能，包括幅度调整、单端到差分转换、缓冲、共模偏置调整和滤波等。自从推出AD8138,1以后，差分ADC驱动器已经成为数据采集系统中不可或缺的信号调理元件。
图1：差分放大器。
图1是一种基本的完全差分电压反馈型ADC驱动器。这个图与传统运放的反馈电路有两点区别：差分ADC驱动器有一个额外的输出端(VON)和一个额外的输入端(VOCM)。当驱动器与差分输入型ADC连接时，这些输入输出端可以提供很大的灵活性。
与单端输出相反，差分ADC驱动器产生平衡的差分输出信号——相对于VOCM——在VOP与VON之间。这里的P指的是正，N指的是负。VOCM输入信号控制输出共模电压。只要输入与输出信号处于规定范围内，输出共模电压必定等于VOCM输入端的电压。负反馈和高开环增益致使放大器输入端的电压VA+和VA-实质上相等。
为了便于后面的讨论，需要明确一些定义。如果输入信号是平衡信号，那么VIP和VIN相对于某个公共参考电压的幅度应该是相等的，相位则相反。当输入信号是单端信号时，一个输入端是固定电压，另一个输入端的电压相对这个输入端变化。无论是哪种情况，输入信号都被定义为VIP–VIN。
差模输入电压VIN, dm和共模输入电压VIN, cm的定义见公式1和公式2。
(1, 2)
因为两个放大器输入端之间的电压被负反馈驱动到零，因此两个输入端处于连接状态，差分输入阻抗RIN就简单地等于2×RG。为了匹配传输线阻抗RL，需要将由公式11计算得到的电阻RT跨接在差分输入端。图3给出了典型的电阻值，其中RF =RG=200Ω，理想的RL, dm=100Ω，RT=133Ω。
(11)
具有偏移型输入共模范围的驱动器一般最适合工作在单电源直流耦合系统中，这是因为输出共模电压通过反馈环路实现了分压，而且它的可变分量可以非常接近地，即负电压轨。当采用单端输入时，输入共模电压由于输入相关的纹波而更接近负电压轨。
采用双电源、单端或差分输入以及交流或直流耦合的系统通常可以采用任一种输入级电路，因为富余度增加了。
表2总结了在输入耦合和电源的各种组合方式下最常用的ADC驱动器输入级电路类型。然而，这些选择未必总是最好的，应该对每个系统进行具体分析。
输出摆幅
为了最大化ADC的动态范围，应该将它驱动到满输入范围。但需要注意：将ADC驱动得太厉害可能有损输入电路，而驱动不够的话又会降低分辨率。将ADC驱动到满输入范围并不意味着放大器输出幅度必须达到最大。差分输出的一个主要好处是每个输出幅度只需达到传统单端输出的一半。驱动器输出可以远离电源轨，从而减少失真。不过对单端驱动器来说没有这个好处。当驱动器输出电压接近电压轨时，放大器将损失线性度，并引入失真。
对于对每一毫伏的输出电压都有要求的应用来说，表1显示相当多的ADC驱动器能够提供轨到轨输出，其典型富余量从几毫伏到几百毫伏不等，具体取决于负载。
图13：采用5V电源的ADA4932在各种频率下的谐波失真与VOCM的关系。
图13是ADA4932在各种频率下的谐波失真与VOCM的关系图，是典型输出摆幅在每个轨1.2V内(富余量)确定的。输出摆幅是信号的VOCM与VPEAK之和(1V)。值得注意的是，失真在2.8V以上(3.8 VPEAK或5V往下1.2V)开始迅速增加。在低端，失真在2.2V(-1 VPEAK)时仍很低。同样的现象还将出现在带宽和压摆率的讨论中。
噪声
ADC的非理想特性包括量化噪声、电子或随机噪声和谐波失真。在大多数应用中重要的一点是，噪声通常是宽带系统中最重要的性能指标。
所有ADC内部都存在量化噪声，并且取决于位数n，n越大量化噪声就越小。因为即使“理想”转换器也有量化噪声，因此量化噪声可以用作比较随机噪声和谐波失真的基准。ADC驱动器的输出噪声应该接近或低于ADC的随机噪声和失真。下面先讨论ADC噪声和失真的特征，然后介绍如何衡量ADC驱动器噪声与ADC性能之间的关系。
量化噪声产生的原因是ADC将具有无限分辨率的模拟信号量化成有限数量的离散值。n位ADC有2n个二进制值。两个相邻值之间的差代表了可以分辨的最小差值，这个差值被称为量化等级的最低有效位(LSB)，或q。因此一个量化等级等于转换器量程的1/2n。如果一个不断变化的电压经过一个完美的n位ADC转换，然后转换回模拟信号，再从ADC输入中减去这个信号，那么差值看起来就像噪声。它有一个公式21计算所得有效值(rms)：
(21)
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总输出噪声电压密度vno, dm是通过计算这些分量的和平方根得到的。将这些公式输入电子表格是计算总输出噪声电压密度的最好方式。ADI公司网站上还新推出了ADI差分放大器计算器(参考文献3)，用它能快速计算噪声、增益和差分ADC驱动器的其它参数值。
现在可以将ADC驱动器的噪声性能与ADC的ENOB作一比较。描述这一过程的例子是为采用5V电源工作的AD9445 ADC选择和评估一款增益为2、2V满量程输入的差分驱动器。它能处理用一个单极点滤波器限制、占用50MHz(-3dB)带宽的直接耦合宽带信号。从数据手册中记载的各种条件下的ENOB参数列表中可以发现：对应50MHz的奈奎斯特带宽，ENOB=12位。
ADA4939 是一款能够被直接耦合的高性能宽带差分ADC驱动器。在噪声性能方面它是驱动AD9445的合适产品吗？ADA4939数据手册针对近似为2的差分增益推荐的RF =402Ω、RG=200Ω，数据手册给出的这种情况下的总输出电压噪声密度为9.7nV/Hz。首先计算给定恒定输入噪声功率谱密度下的系统噪声带宽BN，它是输出与决定系统带宽的实际滤波器相同噪声功率的等效矩形低通滤波器的带宽。对于一个单极滤波器，BN等于π/2乘以3dB带宽，如公式28所示。
(28)
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50MHz时的二次谐波失真相对于2Vp-p输入信号来说大约是-88dBc。为了比较谐波失真水平和1 ENOB LSB，这个谐波失真值必须被转换成电压值，如公式33所示。
(33)
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进一步观察图19可以发现，ADA4932在噪声增益为1(每个环路中100%反馈)时有约50°的相位余量。虽然让ADC驱动器工作在零增益有点不切实际，但这一结果表明，ADA4932可以稳定工作在小数差分增益(如RF/RG=0.25,噪声增益=1.25)。并不是所有差分ADC驱动器都能这样。最小稳定增益可以在所有ADC驱动器的数据手册中找到。
