為數(shù)字世界尋求最佳“模擬拍檔”

顧名思義，ADC（Analog to digital Converter，即模數(shù)轉(zhuǎn)換器）掌握著信號進(jìn)入數(shù)字世界的要道，決定了系統(tǒng)的整體性能和精度，但事實(shí)是，現(xiàn)實(shí)世界的輸入源往往帶有種種不理想的阻抗，僅有ADC的世界還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

因此，為ADC找到一個(gè)絕佳拍檔，濾除各種不良影響，對整個(gè)系統(tǒng)是至關(guān)重要的，但模擬技術(shù)向來是需要精雕細(xì)琢的。

ADC發(fā)展的瓶頸

自七十年代中期以來，隨著結(jié)構(gòu)與工藝的不斷突破，ADC的性能得到較大改善，其中包括：高轉(zhuǎn)換速率、高分辨率、低失真以及開關(guān)電容輸入結(jié)構(gòu)、單電源工作等。一般而言，用來驅(qū)動(dòng)現(xiàn)今高分辨率ADC的電源都是擁有數(shù)百歐姆或以上的AC或DC負(fù)載，為降低系統(tǒng)的整體干擾，因此，急需一個(gè)具有高輸入阻抗(數(shù)百萬歐姆)和低輸出阻抗的放大器作為緩沖器和低通濾波器。

一般而言，典型信號鏈的前端包括用來驅(qū)動(dòng)ADC的放大器、RC濾波器、ADC和微控制器或數(shù)字信號處理器(DSP)。

如果說ADC可能決定系統(tǒng)的性能或精度，那么其前端模擬電路對整個(gè)系統(tǒng)的性能則是至關(guān)重要的。而且，隨著信號在電路板的布線和冗長電纜上傳送，系統(tǒng)干擾會(huì)積聚在信號里，而一個(gè)差動(dòng)ADC則會(huì)拒絕任何看來像共模電壓的信號干擾。相比單端信號而言，差動(dòng)信號可將ADC的動(dòng)態(tài)范圍增大一倍，同時(shí)還可提供更佳的諧波失真效能。

假如已經(jīng)確定一個(gè)差分ADC，驅(qū)動(dòng)該系統(tǒng)模擬輸入端的方案通常有兩種：

第一：高速度、高精度、低功耗的單端放大器解決方案。但是為了滿足ADC的差分輸入，一定要用多個(gè)放大器滿足不同的設(shè)計(jì)要求，這樣為了實(shí)現(xiàn)差分而引入了很多復(fù)雜的電路，增加了放大器的數(shù)量、占用了板級空間、同時(shí)衍生了放大器與電路匹配等諸多問題。所以對差分輸入ADC驅(qū)動(dòng)時(shí)，通常單端放大器是很難簡單實(shí)現(xiàn)的。

第二：差動(dòng)放大器的解決方案，該方法在信號形式上滿足了差分要求，但在噪聲、功耗、供電形式、設(shè)計(jì)是否簡單等方面，還有待權(quán)衡。設(shè)計(jì)人員在為特定的ADC 選擇驅(qū)動(dòng)放大器（或緩沖器）時(shí)，必須考慮阻抗匹配、電荷注入、噪聲抑制、輸出精度和輸出驅(qū)動(dòng)能力等諸多因素。

因此，業(yè)界期望出現(xiàn)一種既可減少放大器的數(shù)量、節(jié)省板級空間、減少放大器與電路匹配問題，同時(shí)還能將功耗降至最低的方案。

為數(shù)字轉(zhuǎn)換鋪路

“THS452X差動(dòng)放大器系列的推出就是為了迎合這種需要，” TI (上海)模擬器件事業(yè)部業(yè)務(wù)拓展工程師王勝告訴EEWORLD。

TI (上海)模擬器件事業(yè)部業(yè)務(wù)拓展工程師王勝

THS452X系列是TI日前推出的針對單通道與多通道SAR (逐次逼近寄存器) 與 Δ-Σ ADC實(shí)現(xiàn)高精度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的全差動(dòng)放大器產(chǎn)品系列，THS4521、THS4522 以及 THS4524非常適用于需要高分辨率、高精度以及出色動(dòng)態(tài)范圍的應(yīng)用，如壓力表與流量計(jì)、測震設(shè)備以及心電圖機(jī)等，而且還可滿足對功率要求嚴(yán)格的電池供電設(shè)備與其它應(yīng)用的要求。

與同類競爭產(chǎn)品相比，其靜態(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)，該性能改善了以往差動(dòng)放大器功耗高的弊端。在帶寬越寬，越難權(quán)衡放大器各個(gè)方面指標(biāo)的情況下，THS452X系列產(chǎn)品可將帶寬提高超過30%，并支持145 MHz 與490 V/us 的壓擺率，而且無需提高系統(tǒng)功耗即可緩沖并放大信號。同時(shí)可在輸入電壓噪聲僅為 4.6nV/rtHz 的情況下將動(dòng)態(tài)范圍／靈敏度提高 44%，實(shí)現(xiàn)最小化失真。

除了以上通用指標(biāo)外，要實(shí)現(xiàn)差分放大器與ADC的連接，不但要滿足信號峰值或信號幅度要求，還要滿足共模電壓的要求，否則，會(huì)導(dǎo)致信號不對或者精度變差。所以THS452X系列的一個(gè)輸入端可以把后端ADC的共模信號引過來，從而控制前端差動(dòng)放大器的共模水平和共模級別，這樣差模信號在提取信息時(shí)精度就不會(huì)出現(xiàn)問題。這樣，輸出共?？刂瓶蓪?shí)現(xiàn)便捷的DC耦合，而負(fù)軌輸入與軌至軌輸出功能則可簡化設(shè)計(jì)工作，縮短開發(fā)時(shí)間；

該系列產(chǎn)品既接受 +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(shí)現(xiàn)電源的高靈活性。

“單通道產(chǎn)品不僅僅TI有，但如此低功耗的雙通道以及四通道產(chǎn)品其他廠商是沒有的，”王勝介紹。當(dāng)你使用多通道ADC時(shí)，一個(gè)調(diào)理電路是不行的，而此時(shí)多通道的特性就可以發(fā)揮作用，從而能夠有效節(jié)省板級空間。

THS452x 器件使客戶可驅(qū)動(dòng)包括 TI ADS8317 16 位 250 kSPS SAR 轉(zhuǎn)換器與ADS1278 24 位 128 kSPS Δ-Σ 轉(zhuǎn)換器在內(nèi)的差動(dòng) ADC，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)表特定的性能水平。例如，如果采用 THS4521 為 ADS1278 提供緩沖，輸入頻率為 10 kHz 時(shí)，信噪比 (SNR) 為 102 dB，無雜散動(dòng)態(tài)范圍 (SFDR) 為 110 dBc，而且靜態(tài)電流極低，從而可降低系統(tǒng)功耗。

THS452x 系列的封裝如下：

系統(tǒng)設(shè)計(jì)上的考慮無非是精度、功耗、板級空間、設(shè)計(jì)周期等等，王勝介紹，但“像THS452x 器件能夠?qū)⒄麄€(gè)性能集一身市場上也是沒有的。”

差動(dòng)放大器之爭鳴

“差動(dòng)放大器本身并不是一個(gè)新鮮概念，”王勝繼續(xù)說到。在此之前，TI已經(jīng)有很多差動(dòng)放大器產(chǎn)品。包括同為THS452X系列的THS4520，該器件是2006年推出的用于驅(qū)動(dòng)高分辨率、高速ADC的解決方案，能夠提供軌至軌輸出、保持低噪聲與最低失真等特性，支持包括無線通信、測量與測試以及醫(yī)學(xué)成像等多種要求苛刻的應(yīng)用。

下圖為TI的全差動(dòng)放大器產(chǎn)品陣營：

其中，橫軸代表帶寬，目前最高已經(jīng)達(dá)到2GHz；縱軸表示輸入電壓噪聲，顏色的深淺代表不同的電壓輸入范圍。綜合來看，THS452x系列的性能居中。但一旦在應(yīng)用中需要多通道，該器件的性能就會(huì)得到凸顯，從圖中也可以看出，這也是TI第一次推出多通道的差動(dòng)放大器。
>>TI差動(dòng)放大器產(chǎn)品系列

在轉(zhuǎn)換器領(lǐng)域，與TI一樣實(shí)力雄厚的ADI也表現(xiàn)不俗，在2007年11月推出了雙差分ADC驅(qū)動(dòng)器ADA4937-2以及ADA4938-2，并且能夠以介于dc到100MHz的范圍來驅(qū)動(dòng)高性能ADC。在2008年7月又推出了推出專為驅(qū)動(dòng)當(dāng)今的14bit和16bit轉(zhuǎn)換器而優(yōu)化放大器產(chǎn)品ADA4939。在接下來的11月，ADI又推出了一款高速差分放大器——ADA4927，同樣分為單通道和雙通道版本，適合于驅(qū)動(dòng)功耗敏感的通信和儀器儀表系統(tǒng)中的高增益模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。從推出新品的速度及性能看，是TI THS452x系列強(qiáng)有力的競爭對手。
>>ADI差分放大器產(chǎn)品系列

同時(shí)，專注于能效的凌力爾特和NS（美國國家半導(dǎo)體）公司的表現(xiàn)也可圈可點(diǎn)。
>>凌力爾特差分放大器產(chǎn)品系列
>>NS差分放大器產(chǎn)品系列

此次TI推出的THS452X系列產(chǎn)品靜態(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)；同時(shí)帶寬提高超過 30%，支持 145 MHz 與 490 V/us 的壓擺率。還可在輸入電壓噪聲僅為 4.6nV/rtHz 的情況下將動(dòng)態(tài)范圍／靈敏度提高 44%。

也恰恰是通過這種性能、功耗、板級空間等指標(biāo)之間的不斷平衡，模擬工程師們依靠著自己多年的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)出具有“藝術(shù)”的產(chǎn)品，從而為更高速的ADC需求“最佳拍檔”。