ADC驱动器或差分放大器设计指南

输入共模电压范围
输入共模电压范围(ICMVR)规定了正常工作状态下可以施加于差分放大器输入端的电压范围。在这些输入端上呈现的电压可以被称为ICMV、Vacm或VA±。这个ICMVR指标经常被误解。最常遇到的难题是确定差分放大器输入端的实际电压，特别是相对于输入电压而言。知道变量VIN, cm、β和VOCM的值后，当β不相等时使用通式19、当β相等时使用简化公式20就可以计算出放大器的输入电压(VA±)。

(19)

(20)

记住VA始终是按比例缩小的输入信号，这一点非常有用(见图4)。不同的放大器类型有不同的输入共模电压范围。ADI公司的高速差分ADC驱动器有两种输入级配置，即中心型和偏移型。中心型ADC驱动器的输入电压离每个电压轨有约1V的距离(因此叫中心型)。而偏移型输入级增加了两个晶体管，允许输入端电压摆幅更接近–VS轨。图10是一个典型差分放大器(Q2和Q3)的简化输入原理图。

图10：具有偏移型ICMVR的简化差分放大器。

偏移型输入架构允许差分放大器处理双极性输入信号，即使放大器是采用单电源供电，因此这种架构非常适合输入是地或地电平以下的单电源应用。在输入端增加的PNP晶体管(Q1和Q4)可以将差分对的输入电压向上偏移一个晶体管的Vbe电压。例如，当-IN端电压为-0.3V时，A点电压将为0.7V，允许差分对正常工作。没有PNP(中心型输入级)时，A点的-0.3V电压将使NPN差分对处于反向偏置状态，因而无法正常工作。

表1提供了ADI公司ADC驱动器的多数指标一览表。对这张表粗略一看就能发现哪些驱动器具有偏移型ICMVR，哪些没有。

输入和输出耦合：交流或直流
需要交流耦合还是直流耦合对差分ADC驱动器的选择有很大的影响。输入和输出耦合之间的考虑因素也不同。

交流耦合型输入级电路见图11。

图11：交流耦合型ADC驱动器。

对于采用交流耦合输入的差分至差分应用来说，放大器输入端呈现的直流共模电压等于直流输出共模电压，因为直流反馈电流被输入电容隔离了。另外，直流反馈系数也是匹配的，完全等于单位1。VOCM——和由此得到的直流输入共模电压——经常被设置在电源电压的一半左右。具有中心型输入共模范围的ADC驱动器非常适合这类应用，它们的输入共模电压接近规定范围的中心。

交流耦合单端至差分应用与对应的差分输入应用非常相似，但在放大器输入端具有共模纹波——按比例缩小的输入信号“复制品”。具有中心型输入共模范围的ADC驱动器将平均输入共模电压设定在规定范围的中间，因而能为大多数应用中的纹波提供足够的富余度。

当输入耦合方式可选时，值得人们注意的是，采用交流耦合输入的ADC驱动器比采用直流耦合输入的相似驱动器耗散更少的功率，因为两个反馈环路中都不存在直流共模电流。

当ADC要求输入共模电压与驱动器输出端电压完全不同时，交流耦合ADC驱动器的输出就非常有用。当VOCM值被设在电源电压一半附近时，驱动器将有最大的输出摆幅，但当驱动要求非常低输入共模电压的低电压ADC时会出现问题。走出这个困境的简单方法(图12)是驱动器输出和ADC输入之间采用交流耦合连接，从驱动器输出中去除ADC的直流共模电压，并允许适合ADC的共模电平应用于交流耦合侧。例如，驱动器可以工作在单5V电源和VOCM=2.5V条件下，而ADC可以工作在单1.8V电源，此时在标记为ADC CMV的点必需施加0.9V的输入共模电压。

图12：采用交流耦合输出的直流耦合输入电路。

具有偏移型输入共模范围的驱动器一般最适合工作在单电源直流耦合系统中，这是因为输出共模电压通过反馈环路实现了分压，而且它的可变分量可以非常接近地，即负电压轨。当采用单端输入时，输入共模电压由于输入相关的纹波而更接近负电压轨。

采用双电源、单端或差分输入以及交流或直流耦合的系统通常可以采用任一种输入级电路，因为富余度增加了。

表2总结了在输入耦合和电源的各种组合方式下最常用的ADC驱动器输入级电路类型。然而，这些选择未必总是最好的，应该对每个系统进行具体分析。

输出摆幅
为了最大化ADC的动态范围，应该将它驱动到满输入范围。但需要注意：将ADC驱动得太厉害可能有损输入电路，而驱动不够的话又会降低分辨率。将ADC驱动到满输入范围并不意味着放大器输出幅度必须达到最大。差分输出的一个主要好处是每个输出幅度只需达到传统单端输出的一半。驱动器输出可以远离电源轨，从而减少失真。不过对单端驱动器来说没有这个好处。当驱动器输出电压接近电压轨时，放大器将损失线性度，并引入失真。

对于对每一毫伏的输出电压都有要求的应用来说，表1