ADC驅(qū)動(dòng)器或差分放大器設(shè)計(jì)指南

進(jìn)一步觀察圖19可以發(fā)現(xiàn)，ADA4932在噪聲增益為1(每個(gè)環(huán)路中100%反饋)時(shí)有約50°的相位余量。雖然讓ADC驅(qū)動(dòng)器工作在零增益有點(diǎn)不切實(shí)際，但這一結(jié)果表明，ADA4932可以穩(wěn)定工作在小數(shù)差分增益(如RF/RG=0.25,噪聲增益=1.25)。并不是所有差分ADC驅(qū)動(dòng)器都能這樣。最小穩(wěn)定增益可以在所有ADC驅(qū)動(dòng)器的數(shù)據(jù)手冊(cè)中找到。

電流反饋ADC驅(qū)動(dòng)器的相位增益同樣可以從開(kāi)環(huán)響應(yīng)中判斷。電流反饋放大器不再使用前向增益A(s)，而是使用前向互阻T(s)，并將誤差電流用作反饋信號(hào)。帶匹配反饋電阻的電流反饋驅(qū)動(dòng)器的環(huán)路增益等于T(s)/ RF，因此電流反饋放大器環(huán)路增益幅度在T(s)= RF時(shí)等于1(即0dB)。這個(gè)點(diǎn)在開(kāi)環(huán)互阻和相位圖上很容易找到，定位方法與電壓反饋放大器相同。注意，繪制電阻與1kΩ的比值能使阻值表示在對(duì)數(shù)圖上。圖20給出了RF=300Ω時(shí)ADA4927電流反饋差分ADC驅(qū)動(dòng)器的單位環(huán)路增益點(diǎn)和相位余量。

圖20：ADA4927開(kāi)環(huán)增益幅度和相位與頻率的關(guān)系。

300Ω反饋電阻水平線與互阻幅度曲線的交叉點(diǎn)是環(huán)路增益為0dB的地方。在這個(gè)頻率點(diǎn)，T(s)的相位接近-135°，因此有45°的相位余量。相位余量和穩(wěn)定性隨RF的增加而增加，隨RF的減小而減小。電流反饋放大器應(yīng)始終使用具有足夠相位余量的純電阻反饋。

PCB版圖
在穩(wěn)定的ADC驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)好后，還必須在PCB上實(shí)現(xiàn)。由于電路板存在寄生成分，總是會(huì)損失一些相位余量，因此電路板的寄生效應(yīng)必須保持最小，其中特別要關(guān)注的是負(fù)載電容、反饋環(huán)路電感和求和節(jié)點(diǎn)電容。每種寄生電抗都會(huì)給反饋環(huán)路增加遲滯性相位偏移，從而減小相位余量。由于PCB版圖設(shè)計(jì)不良可能導(dǎo)致20°以上的相位余量損失。

在使用電壓反饋放大器時(shí)最好使用盡可能小的RF，以便最小化由RF和求和節(jié)點(diǎn)電容組成的極點(diǎn)引起的相位偏移。如果要求使用大的RF，寄生電容可以用跨接每個(gè)反饋電阻的小電容Cf進(jìn)行補(bǔ)償，對(duì)Cf的要求是RFCf等于RG乘以求和節(jié)點(diǎn)電容。

PCB版圖是設(shè)計(jì)中最后的必要步驟之一。遺憾的是，它也是設(shè)計(jì)中最容易被忽視的步驟之一，即使性能高度依賴于版圖設(shè)計(jì)的高速電路也是如此。馬虎或拙劣的版圖設(shè)計(jì)可能降低一個(gè)高性能設(shè)計(jì)的性能，甚至使它不能工作。雖然本文無(wú)法涵蓋正確高速PCB設(shè)計(jì)的所有方面，但還是要介紹一些關(guān)鍵點(diǎn)。

寄生成分將損害高速電路的性能。寄生電容是由元器件的焊盤(pán)、走線、地平面或電源平面引起的。沒(méi)有地平面的長(zhǎng)走線將形成寄生電感，進(jìn)而導(dǎo)致瞬態(tài)響應(yīng)中的振鈴和其它不穩(wěn)定現(xiàn)象。寄生電容在放大器的求和節(jié)點(diǎn)處特別危險(xiǎn)，因?yàn)樗鼤?huì)在反饋?lái)憫?yīng)中引入一個(gè)極點(diǎn)，造成尖峰和不穩(wěn)定。一種解決方案是確保ADC驅(qū)動(dòng)器安裝和反饋元件焊盤(pán)下方區(qū)域的所有電路板層都是干凈的地和電源平面。

要使有害寄生電抗最小，首先要使所有走線盡可能短。RF-4印制板的外層50Ω走線產(chǎn)生的寄生參數(shù)大約為2.8pF/英寸和7nH/英寸。內(nèi)層50Ω走線的寄生電抗將在此基礎(chǔ)上增加約30%。還要確保在長(zhǎng)走線下方有地平面，以使走線電感最小。保持短小的走線有助于減小寄生電容和寄生電感——并保持設(shè)計(jì)的完整性。

電源旁路是版圖設(shè)計(jì)中另一個(gè)重要的考慮因素。確保電源旁路電容和VOCM旁路電容盡可能靠近放大器引腳放置。另外，在電源上使用多個(gè)旁路電容有助于確保為寬帶噪聲提供低阻抗路徑。圖21給出了一個(gè)帶旁路和輸出低通濾波器的典型差分放大器原理圖。低通濾波器用于限制進(jìn)入ADC的帶寬和噪聲。理想情況下，電源旁路電容回路靠近負(fù)載回路，這有助于減小地平面中的環(huán)流，從而改善ADC驅(qū)動(dòng)器性能(圖22a和圖22b)。

圖21：帶電源旁路電路和輸出低通濾波器的ADC驅(qū)動(dòng)器。

使用地平面和一般的接地技巧是一個(gè)具體而復(fù)雜的課題，不在本文討論的范圍之內(nèi)。不過(guò)有幾個(gè)要點(diǎn)需要指出，見(jiàn)圖22a和圖22b。首先，只在一個(gè)點(diǎn)將模擬和數(shù)字地連接在一起，記住只是單點(diǎn)接地。這樣做可以使地平面中模擬和數(shù)字電流的交互作用最小，而這種交互最終將導(dǎo)致系統(tǒng)中產(chǎn)生“噪聲”。另外，要將模擬電源終接到模擬電源平面，數(shù)字電源終接到數(shù)字電源平面。對(duì)于混合信號(hào)IC，要將模擬回路終接到模擬地平面，將數(shù)字地回路終接到數(shù)字地平面。

圖22(a):器件側(cè)。(b)：電路側(cè)。

圖23：混合信號(hào)的接地方式。

我們希望當(dāng)您用ADC驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)這里提供的材料有助于您更加全面地考慮眾多必要因素。理解差分放大器——并在項(xiàng)目開(kāi)始時(shí)就留意ADC驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)——將使設(shè)計(jì)過(guò)程中發(fā)生的問(wèn)題最少，并使您遠(yuǎn)離ADC驅(qū)動(dòng)器故障。