如何實(shí)現(xiàn)放大器與ADC之間的共模融合

 當(dāng)我們拼命折騰自己，藐視摩爾定律，不斷實(shí)現(xiàn)更小的幾何尺寸和IC工藝時(shí)，供電或偏置軌也要走這條路了。大部分器件都用單邊電源給元件供電，但我們可以看到大部分信號(hào)仍是雙極性形式。為了給放大器和轉(zhuǎn)換器建立新“零”點(diǎn)或中心碼，需要在兩者之間定義一個(gè)共模(CM)電壓。否則，您的設(shè)計(jì)基本上無法工作。

　　兩個(gè)器件之間的公共地有時(shí)比較隱蔽。對(duì)于放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，在指定新型信號(hào)鏈應(yīng)用時(shí)經(jīng)常會(huì)忽視這些需求，這一般是因?yàn)閿?shù)據(jù)手冊(cè)被忽略太久了!兩個(gè)器件當(dāng)然都會(huì)有些限制規(guī)定，以便適應(yīng)輸入/輸出范圍和電源。所以要小心謹(jǐn)慎，不管怎么樣，都應(yīng)讀一下數(shù)據(jù)手冊(cè)。

　　共模定義

　　現(xiàn)在，您已經(jīng)選好了放大器和高速ADC，還會(huì)有什么不妥嗎?您已經(jīng)進(jìn)行了大量的噪聲分析，并找到了符合當(dāng)前應(yīng)用技術(shù)規(guī)格的設(shè)計(jì)。您是否考慮過兩個(gè)相連器件之間的CM電壓規(guī)格?問倒您了吧!

　　客戶在不了解規(guī)定兩個(gè)器件處理性能的這一參數(shù)時(shí)，就會(huì)向技術(shù)支持人員提出疑問。如果采用交流耦合設(shè)計(jì)，并且不需要任何直流內(nèi)容，您讀到這里就可以了。否則，對(duì)于交流耦合應(yīng)用，需在放大器/轉(zhuǎn)換器之間使用一個(gè)耦合電容來打破這種CM不匹配。這樣，設(shè)計(jì)才能夠優(yōu)化放大器輸出和轉(zhuǎn)換器輸入的CM偏置。

　　如果屬于直流耦合應(yīng)用，就需要保留信號(hào)的直流內(nèi)容。CM在這里非常重要，它能使信號(hào)精確分解成數(shù)字位、代碼和最低有效位(LSB)。

　　CM電壓只是信號(hào)移動(dòng)(圖1)的中點(diǎn)。如果您是一個(gè)轉(zhuǎn)換器迷，您還可以將它看作是新中點(diǎn)或零代碼。作為放大器，通常通過一個(gè)VOCM引腳或某種類似的器件，在輸出端建立CM。不過要小心，這些引腳也有特定的電流和電壓范圍要求。

圖1 CM電壓是差分信號(hào)移動(dòng)的中點(diǎn)

　　最好是查閱放大器數(shù)據(jù)手冊(cè)，并且/或者使用不會(huì)使電路內(nèi)部的任何相鄰電路或基準(zhǔn)點(diǎn)負(fù)荷過重的穩(wěn)定偏置點(diǎn)。不要只是提取一個(gè)轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓引腳(VREF)，它通常是轉(zhuǎn)換器滿量程的一半，可能無法提供充分的高精度偏置。

　　謹(jǐn)慎起見，也應(yīng)查閱轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)手冊(cè)上的引腳技術(shù)規(guī)格。一般而言，電阻容差1%的簡(jiǎn)單分壓器和/或緩沖器驅(qū)動(dòng)器之類，不能正確設(shè)置放大器的CM偏置。

　　轉(zhuǎn)換器一側(cè)需要在模擬輸入端具有確定的CM偏置，以便將此基準(zhǔn)電壓建立于地之上。但在我們繼續(xù)插拔之前，看看自己是否用的是緩沖或無緩沖轉(zhuǎn)換器。如果是無緩沖轉(zhuǎn)換器(又稱開關(guān)電容型)，則需要在模擬輸入端提供一個(gè)外部CM偏置。

　　緩沖轉(zhuǎn)換器一般通過轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部緩沖進(jìn)行設(shè)置，具有自偏置模擬輸入。此電平一般是電源電壓的一半加上(AVDD/2 + 0.7 V)之上的二極管壓降，而無緩沖轉(zhuǎn)換器沒有內(nèi)部緩沖和自偏置，需要AVDD/2或模擬電源電壓一半的CM偏置。因此，設(shè)計(jì)人員必須從外部提供此CM偏置，這可通過各種方式進(jìn)行。

　　部分轉(zhuǎn)換器具有一個(gè)VCM或CML引腳，它允許設(shè)計(jì)人員通過多個(gè)與模擬輸入相連的端接電阻來提供偏置。設(shè)計(jì)人員還可以使用一個(gè)變壓器的中心抽頭，或僅在模擬輸入的每個(gè)端腳上提供多個(gè)電阻分壓器，將其連在AVDD和地之間。

　　同樣，要遠(yuǎn)離VREF引腳或查看數(shù)據(jù)手冊(cè)。大部分具有此類標(biāo)注的引腳并不用于供應(yīng)CM偏置，除非通過一個(gè)放大器從外部對(duì)其進(jìn)行緩沖。請(qǐng)記住，VREF引腳在轉(zhuǎn)換器內(nèi)設(shè)置所有內(nèi)部基準(zhǔn)電壓偏置。這也是轉(zhuǎn)換器輸入滿量程的一個(gè)功能。

　　如果VREF引腳使用不當(dāng)(即，負(fù)荷過重)，實(shí)際上可能無意間偏移轉(zhuǎn)換器的輸入滿量程范圍。因此，可能會(huì)限制系統(tǒng)的總動(dòng)態(tài)范圍?；蛘?，更糟的是，降低轉(zhuǎn)換器的性能。 圖2為一些正確的電路示例。
 

圖2 雖然可能有一定的挑戰(zhàn)，但實(shí)際放大器和轉(zhuǎn)換器之間的適當(dāng)CM偏置是可能的

　　打破共模

　　如果未提供或保持CM偏置，轉(zhuǎn)換器將產(chǎn)生增益和失調(diào)誤差，使獲取的總體測(cè)量性能下降。您的轉(zhuǎn)換器輸出將如圖3所示或有某些變動(dòng)。輸出頻譜將與一個(gè)過載滿量程輸入非常相似。這意味著轉(zhuǎn)換器的“零”點(diǎn)偏離中心，沒達(dá)到最優(yōu)。

圖3 如果未提供或保持CM偏置，輸出頻譜將與一個(gè)過載滿量程輸入相似，表明轉(zhuǎn)換器的“零”點(diǎn)偏離中心，沒到達(dá)最優(yōu)

　　設(shè)計(jì)人員可能會(huì)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)換器會(huì)較早“削波”或者達(dá)不到滿量程。近年來，由于轉(zhuǎn)換器開始使用1.8 V電源，這一問題變得更為嚴(yán)重。這意味著模擬輸入的CM偏置為0.9 V或AVDD/2。并非所有的單電源放大器都能支持如此低的CM電壓，同時(shí)還能保持相對(duì)較好的性能。

　　但是，許多新型放大器已經(jīng)適應(yīng)此類電壓，并在市場(chǎng)上出售。因此，需查看哪些放大器可以用于您的新設(shè)計(jì)。并不是任何舊款放大器都能使用，因?yàn)樵Ａ靠赡芊浅Ｓ邢蓿⑶覂?nèi)部晶體管可能開始老化。

　　如果將雙電源與放大器配合使用，大多數(shù)情況下應(yīng)該會(huì)有充足的裕量來實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)腃M偏置。缺點(diǎn)是增加了一個(gè)額外的電源，這意味著設(shè)計(jì)中需要更多的器件、更高的成本以及更大的功耗。簡(jiǎn)單的反相器電路有助于解決這一問題，但設(shè)計(jì)人員及其管理者需要就折衷方案達(dá)成一致。

　　CM小結(jié)

　　將前一級(jí)(如放大器)連接到轉(zhuǎn)換器時(shí)，CM偏置尤其重要。請(qǐng)查看數(shù)據(jù)手冊(cè)技術(shù)規(guī)格，確保放大器可以滿足轉(zhuǎn)換器的輸入擺幅和CM電源要求。