利用DiffAmpCalc?简化全差分放大器系统设计

作者：Zoltan Frasch和Tina Collins
　　
简介

　　DiffAmpCalc™是一种交互式设计和参数仿真工具。它使耗时的计算自动化，从而轻松确定增益、终端电阻、功耗、噪声输出及输入共模电压的最佳水平。DiffAmpCalc通过为工程师提供高效且直观的工具来减少设计风险。DiffAmpCalc的威力在于其以设计为导向的特性、易用性和内置差错检测功能。

　　该工具利用数据手册上的参数以数学手段模拟放大器的行为，可加快ADI公司多款差分放大器的选型、评估和故障排除。数据手册中未规定的参数，将根据数据手册中的值和图形进行外推。

　　其模拟的全差分放大器(FDA)有三类：带用户可选增益的FDA、带预设增益的FDA以及全差分漏斗放大器。图1为DiffAmpCalc图形用户界面(GUI)。本应用笔记说明DiffAmpCalc的主要特性。

图1.DiffAmpCalc GUI

　　DIFFAMPCALC特性

　　DiffAmpCalc是一款强大的工具，拥有丰富的设计特性。其三个主要设计特性是电路定制、优化首选项以及用于各类配置的大量动态数据。用户有多个设计定制选项。图2所示为用户可选的输入拓扑（Single Ended（单端）或Differential（差分））、输入耦合（交流或直流）及输入端接（Terminate（端接））选项。图3所示为输出负载选项：None（无）、Differential（差分）、以地为基准(GND Referred)或以某个电压为基准(V Referred)。

图2.输入拓扑、输入耦合和输入端接选项

图3.输出负载选项

　　如需高差分增益，级联放大器级是一个选择。确定设计尺寸之后，有多个优化特性可供使用，其中包括自动偏移、输入跟踪、增益计算、电阻容差和热效应。

　　自动偏移(Auto Offset)开启后，会自动调整输入失调电压，并将Vocm调到可用输入和输出电压范围的中心。此特性可使放大器的动态范围最大化。

　　若想要保持平衡输入，使能输入跟踪(Input Tracking)会很有用，因为它会自动平衡输入幅度和失调。这是通过迫使反相和同相节点相等来实现的。选择Auto Offset时，Input Tracking会禁用。Auto Offset和Input Tracking选项如图4所示。

图4.Input Tracking和Auto Offset

　　设置系统增益

　　DiffAmpCalc可简化系统增益计算。将所需增益输入实际增益(Actual Gain)文本框（参见图5中的带圈区域）以设置系统增益。

图5.设置系统增益

　　它会提供所有元件值，利用滚动条可以按比例调整这些值。DiffAmpCalc的一个重要特性是，当用户在拓扑(Topology)中选择端接(Terminate)时（即选中图2中的Terminate），它会计算元件值。需要输入端接来匹配阻抗。利用匹配阻抗选项，系统设计者可以灵活地定义输入源。例如，若使用信号发生器作为FDA的输入，则需要双重端接。

　　双重端接需要端接电阻。这些电阻会影响系统增益。为使双重端接拓扑保持相同的系统增益，需要以迭代方式重新计算反馈电阻和增益电阻。该过程在ADA4930-1数据手册中有说明。

　　当在拓扑中选择Terminate时，DiffAmpCalc会自动计算元件值，从而简化迭代计算。此特性会动态更新相应的反馈和增益元件值。DiffAmpCalc中的迭代计算默认是隐藏的。利用键盘快捷键Alt + V可使计算可见。再次按下Alt + V又会隐藏计算。

　　利用误差预算和电阻热噪声效应，DiffAmpCalc很容易帮助优化设计。通过选择电阻容差(Resistor Tolerance)按钮列出的下列选项之一，用户可以选择<1%到5%范围内的电阻容差：None（无）、<1% (E192)、1% (E96)、2% (E48)或5% (E24)，如图6所示。

　　当用户定义环境温度后，它就会计算电阻噪声对性能的热影响。电阻噪声信息如图7所示。

图6.电阻容差选项

图7.噪声数据和输入

　　仿真结果

　　每个节点的仿真结果会立即提供，因此可以进行实时分析。源电压的节点数据和类似示波器的图形以及放大器输入/输出电压波形，对于快速了解元件和系统的权衡是很有利的。左键点击类似示波器的显示区，可以实现1×、2×、5×、10×、20×、50×和100×放大。右键点击该显示区会还原放大并缩小。

　　它会计算所有节点的直流和交流峰峰值电压。输入电压指定为交流电压，峰峰值叠加在直流失调偏置之上。如果峰值电流是考虑事项，则总功耗会被分为静态功耗和动态功耗。图8中，节点电压显示在电路图的画圈区域中，类似示波器的图形显示在电路图右侧带框区域中。功耗计算位于带框示波器区域下方。

图8.突出显示节点电压和示波器状显示区的屏幕截图

显示的时域仿真对应于放大器频率响应为平坦状时的频率。频域仿真包括放大