低功耗高速全差動放大器：為ADC加點料

　　在很多公司被摩爾定律忽悠得妻離子散（拆分、裁員），在金融海嘯中瀕臨家破人亡時（自插草標待售，申請破產保護）。大家也不想想，三五年前，專家就預測摩爾定律還能堅持15年，那時還不找個其他出路，鬧得現(xiàn)在印鈔機變成了老虎機！

　　去年2月，筆者就曾在《電子產品世界》P20寫了一篇《不和摩爾定律較勁》，介紹Cypress（賽普拉斯）公司CEO在2001年網絡泡沫后的頓悟。還有一些公司（在此就不一一表揚了），大力發(fā)展模擬等業(yè)務。

　　這里要提到的是TI（德州儀器）的模擬放大器業(yè)務。2月12日，該公司在京舉行了該公司2009年第一場新聞發(fā)布會，竟是模擬類的一款放大器！TI這家DSP（數(shù)字信號處理器）領域的霸主，竟十分看重一款模擬產品，實在令人可圈可點。這意味著：滿足各種特定數(shù)字應用的高性能模擬產品，由于其可觀的利潤（半導體中利潤最高者），已經成為很多大公司看重的增長點。

照片1 TI在2月12日的北京發(fā)布會現(xiàn)場，講演者為王勝工程師（此照片由精英公關提供）

　　TI推出的THS4521、THS4522以及THS4524號稱是業(yè)界最低功耗的高速全差動放大器，其用途是針對單通道和多通道逐次逼近寄存器（SAR）與Δ-Σ 模數(shù)轉換器 (ADC)，可謂為實現(xiàn)高精度ADC的錦上添花。非常適用于需要高分辨率、高精度以及出色動態(tài)范圍的工業(yè)、醫(yī)療等應用，例如壓力表與流量計、測震設備以及心電圖機等。

照片2 THS452x與ADC的對接示意圖

實現(xiàn)差分ADC驅動的三種方案

　　對于放大器來說種類很多,例如運算放大器，音頻功率放大器，差動放大器，儀表放大器，隔離模擬放大器等。

　　據(jù)TI模擬器件事業(yè)部業(yè)務拓展工程師王勝介紹，差動放大器本身來說不是一個新鮮東西，但是如果是各種性能集于一身的話就是很難能可貴的，或者目前在整個半導體行業(yè)還是很少見的，TI公司的THS4521、THS4522以及THS4524就是這么一類全新產品。

　　我們知道，現(xiàn)在隨著數(shù)字世界、數(shù)字生活隨處可見，必然產生了一個AD（模數(shù)）轉換的功能，對于ADC來說前面一定要有一個類似調理或者放大的功能電路，哪怕是呈現(xiàn)在一個具體的芯片上或者呈現(xiàn)在某一個具體的功能模塊里面，那么至少有類似的東西。
   
　　對于整個系統(tǒng)來說，單從精度角度來看，ADC對性能或精度有決定性作用，不過其前端的模擬電路（即前端信號調理電路），對整個系統(tǒng)的性能影響也至關重要。為了迎合這種需求，TI此次發(fā)布的差動放大器可以實現(xiàn)對ADC系統(tǒng)的精度提升等功能，例如從功耗以及設計簡單程度角度，它都是一款有很多優(yōu)點的差動放大器。

　　在高分辨率和高精度應用中，怎樣才能使ADC在嚴格的功率限制內實現(xiàn)寬泛的動態(tài)范圍。通常有三種方案（如圖1）。

圖1 三種差分ADC驅動的方案

　　第一，單端放大器實現(xiàn)，包括高速的、高精度的、低功耗的等等各種指標的單端放大器。但是其畢竟還是一個單端的。因此實現(xiàn)最前端、最后端ADC插入輸入滿足的話，一個放大器是實現(xiàn)不了的，一定要用多個放大器，放大器至少要兩個或者更多基于不同的設計要求。這樣一來就會帶來一個直觀的結果，即實現(xiàn)一個差分而引入很多復雜電路，那這樣對設計和整個精度的挑戰(zhàn)就是一個折中了。所以基于這種情況下，當對差分輸入ADC進行驅動的時候，通常這種單端放大器類的產品是很難簡單實現(xiàn)的。

　　第二種方案是采用一個差動放大器。差動放大器信號形式基本滿足了差分，但是除了最基本的要求以外，還有很多其他的要求，比如噪聲、功耗、供電形式、設計……，這些能否簡單化？這對一個系統(tǒng)設計是至關重要，所以對于差分ADC等應用，通常這種高功耗放大器不是一個十全十美的選擇。
   
　　第三種方案，即以TI新的THS452x差動放大器為代表的芯片來驅動ADC或類似應用，會把前兩種選擇的弊端大大降低，當然不可否認，THS452x肯定也會有功耗、誤差、噪聲，但是可以把這些降到最低。目前看到所有的差分驅動里面，相對而言第三種方案應該是一個比較好的選擇。

TI差分放大器產品家族秀

    再來看看圖2，可見TI高速全差分放大器產品陣營。這里突出的是高速度，因為帶寬最高到2GHz左右。不過，往右看時發(fā)現(xiàn)，盡管整個帶寬越來越窄，但是其噪聲性能相對整體來說卻很高，因此相對值比右邊高。但是如果在這么一個寬電壓輸入范圍之內。不過，從寬電壓供電的一個系統(tǒng)來看，實際上即使右邊的噪聲水平也不是一個很高的水平。

圖2 TI全差動放大器陣營

　　那么相對于兩端，這次發(fā)布的產品介于中間。但是這次發(fā)布還有一個特點，即可以實現(xiàn)多通道；而以往其他產品都是單通道，而這次發(fā)布的系列產品既有兩通道的，還有四通道。

　　從帶寬來看，一般大約在一兩百兆赫茲帶寬范圍之內（帶寬不那么寬），但是TI針對的應用是不一樣的，比如THS452x高速差動放大器產品主要是針對測試計量設備、高速數(shù)據(jù)采集設備，以及高精度的特殊應用。

THS452x系列的主要特性與優(yōu)勢

圖3 THS452x的性能突破

　　•與同類競爭產品相比，靜態(tài)流耗僅為一半（單位通道為 1.14 mA），而斷電電流可降低 22 倍 (20 uA)；

　　•可將帶寬提高超過 30%，支持 145 MHz 與 490 V/us 的壓擺率，無需提高系統(tǒng)功耗即可緩沖并放大信號；

　　•可在輸入電壓噪聲僅為 4.6nV/rtHz 的情況下將動態(tài)范圍／靈敏度提高 44%，實現(xiàn)最小化失真；

　　•可針對 TI SAR 與 Δ-Σ ADC 提供高性能緩沖，滿足高精度低功耗系統(tǒng)的要求；

　　•輸出共模控制可實現(xiàn)便捷的 DC 耦合，而負軌輸入與軌至軌輸出功能則可簡化設計工作，縮短開發(fā)時間；

　　•既接受 +3 V 至 +5 V 的單電源供電，也接受 +/-1.5 V 至 +/- 2.5 V 的雙電源供電，可實現(xiàn)電源的高靈活性；

　　•支持單、雙以及四配置選項，可節(jié)省板級空間。

感悟

　　由于個性的工業(yè)和快速的消費市場的需求，使得我們所面對的市場變得越來越細分和專業(yè)。以前生產產品往往追求通用和高量，但是現(xiàn)在要求不斷變化、細分和更加專業(yè)化。半導體市場開拓就是那幾套路，就看誰會為某塊市場加點料。