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