高速、低失調(diào)漂移全差分ADC驅(qū)動(dòng)器ADA4945 - 1的深度剖析

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，高性能的ADC驅(qū)動(dòng)器是實(shí)現(xiàn)精確數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理的關(guān)鍵。今天我們要深入探討的是Analog Devices公司的ADA4945 - 1，一款高速、±0.1 μV/?C失調(diào)漂移的全差分ADC驅(qū)動(dòng)器，它在眾多應(yīng)用場(chǎng)景中展現(xiàn)出卓越的性能。

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一、器件概述

ADA4945 - 1是一款低噪聲、低失真的全差分放大器，具備兩種可選的功率模式，能在3 V至10 V的寬電源范圍內(nèi)穩(wěn)定工作。其低直流失調(diào)、直流失調(diào)漂移以及出色的動(dòng)態(tài)性能，使其非常適合各種數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理應(yīng)用。無論是驅(qū)動(dòng)高分辨率、高性能的逐次逼近寄存器（SAR）和Σ - Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），還是作為單端轉(zhuǎn)差分轉(zhuǎn)換器、差分緩沖器，它都能發(fā)揮出色的作用。

二、關(guān)鍵特性

2.1 電源與輸入輸出范圍

• 寬電源范圍：支持3 V至10 V的電源電壓，為不同的應(yīng)用場(chǎng)景提供了靈活的電源選擇。
• 寬輸入共模電壓范圍：輸入共模電壓范圍為 - (V{S}) 至 (+V{S}-1.3 ~V)，能適應(yīng)各種輸入信號(hào)的共模電平。
• 軌到軌輸出：輸出能夠達(dá)到電源軌，提供了最大的輸出電壓擺幅。

2.2 功率模式

• 全功率模式（4 mA，145 MHz）：在需要高帶寬和低失真的應(yīng)用中，全功率模式能提供出色的性能。在1 kHz時(shí)，其二次諧波失真（HD2）為 - 133 dBc，三次諧波失真（HD3）為 - 140 dBc；在100 kHz時(shí)，HD2為 - 133 dBc，HD3為 - 116 dBc。同時(shí)，18位的建立時(shí)間僅為100 ns，16位為50 ns，具有快速的響應(yīng)速度。
• 低功率模式（1.4 mA，80 MHz）：當(dāng)對(duì)功耗有嚴(yán)格要求時(shí)，低功率模式能在保證一定性能的前提下，顯著降低功耗。雖然帶寬和失真性能相對(duì)全功率模式有所下降，但在一些對(duì)性能要求不是極高的應(yīng)用中，仍然能夠滿足需求。

2.3 其他特性

• 低輸入電壓噪聲：在 (f = 100 kHz) 時(shí)，輸入電壓噪聲僅為2.0 nV/√Hz，能有效減少噪聲對(duì)信號(hào)的干擾。
• 低失調(diào)電壓：在 - 40°C至 + 125°C的溫度范圍內(nèi)，最大失調(diào)電壓為 ± 115 μV，保證了在寬溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定性能。
• 可調(diào)輸出鉗位：可通過設(shè)置輸出鉗位來保護(hù)ADC輸入，防止過壓損壞。

三、應(yīng)用領(lǐng)域

3.1 低功耗ADC驅(qū)動(dòng)

適用于低功耗的Σ - Δ、PulSAR?和SAR ADC驅(qū)動(dòng)器，能在保證低功耗的同時(shí)，提供高質(zhì)量的信號(hào)驅(qū)動(dòng)。

3.2 信號(hào)轉(zhuǎn)換與緩沖

可作為單端轉(zhuǎn)差分轉(zhuǎn)換器，將單端信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)，提高信號(hào)的抗干擾能力；也可作為差分緩沖器，增強(qiáng)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力。

3.3 醫(yī)療與工業(yè)應(yīng)用

在醫(yī)療成像和過程控制等領(lǐng)域，對(duì)信號(hào)的精度和穩(wěn)定性要求較高，ADA4945 - 1的高性能特性使其能夠滿足這些應(yīng)用的需求。

3.4 便攜式電子設(shè)備

由于其低功耗和寬電源范圍的特性，非常適合用于便攜式電子設(shè)備，延長(zhǎng)設(shè)備的電池續(xù)航時(shí)間。

四、工作原理

4.1 全差分和共模信號(hào)路徑

ADA4945 - 1的架構(gòu)包含差分反饋環(huán)路和共模反饋環(huán)路。差分反饋環(huán)路通過差分跨導(dǎo)（(G{DIFF})）、輸出緩沖器（(G{0})）和反饋網(wǎng)絡(luò)（(R{F} / R{G})）來實(shí)現(xiàn)，它能使 + IN和 - IN端的電壓相等，從而確定差分增益。共模反饋環(huán)路則通過輸出電壓分壓來創(chuàng)建輸出電壓中點(diǎn)（(V{out(CM)})）和共?？鐚?dǎo)（(G{CM})），使輸出共模電壓等于 (V_{OCM}) 端的電壓。

4.2 輸出電壓鉗位

為了保護(hù)后續(xù)電路（如ADC）的輸入設(shè)備不被過驅(qū)動(dòng)和損壞，ADA4945 - 1采用了鉗位電路。這些電路利用差分和共模反饋，將輸出電壓限制在由 (+VCLAMP) 和 (-V{CLAMP }) 引腳定義的范圍內(nèi)。差分鉗位電路能防止單個(gè)輸出超過（(+V{CLAMP }+0.5 ~V)）或低于（(-V{CLAMP }-0.5 ~V)），而共模鉗位電路能防止 (V{OUT, cm}) 超出 (+VCLAMP) 或低于 (-V_{CLAMP })。

五、性能參數(shù)

5.1 動(dòng)態(tài)性能

• 帶寬：不同增益和信號(hào)幅度下，具有不同的帶寬表現(xiàn)。例如，在全功率模式下，(V{OUT, dm} = 20 mV p - p)，增益 (G = 1) 時(shí)，- 3 dB小信號(hào)帶寬為145 MHz；(V{OUT, dm} = 2 V p - p)，(G = 1) 時(shí)，- 3 dB大信號(hào)帶寬為60 MHz。
• 壓擺率：在全功率模式下，(V_{OUT, dm} = 8V) 階躍時(shí)，壓擺率為600 V/μs，能快速響應(yīng)信號(hào)的變化。
• 建立時(shí)間：18位建立時(shí)間為100 ns，16位為50 ns，確保了信號(hào)能夠快速穩(wěn)定。

5.2 噪聲與諧波性能

• 輸入電壓噪聲：在 (f = 100 kHz) 時(shí)，全功率模式下輸入電壓噪聲為2.0 nV/√Hz，低功率模式為3.5 nV/√Hz。
• 諧波失真：在不同頻率和增益下，具有較低的諧波失真。如前面提到的，在1 kHz和100 kHz時(shí)，全功率模式下的HD2和HD3都表現(xiàn)出色。

5.3 輸入輸出特性

• 輸入特性：輸入失調(diào)電壓在不同溫度范圍內(nèi)有一定的變化，如在 - 40°C至 + 125°C時(shí)，最大為 ± 115 μV；輸入偏置電流也會(huì)隨溫度變化。
• 輸出特性：輸出電壓擺幅在不同負(fù)載電阻下有所不同，如負(fù)載電阻 (R{L} = 1 kΩ) 時(shí)，輸出電壓擺幅為 (-V{S} + 0.1) 至 (+V_{S} - 0.1)。

六、應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

6.1 閉環(huán)增益設(shè)置

通過外部反饋網(wǎng)絡(luò)（(R{F} / R{G})）來設(shè)置閉環(huán)增益，計(jì)算公式為 (frac{V{OUT, dm}}{V{IN, dm}} =frac{R{F}}{R{G}})，前提是輸入電阻（(R{G})）和反饋電阻（(R{F})）在兩側(cè)相等。

6.2 輸出噪聲電壓估計(jì)

可使用噪聲模型來估計(jì)輸出噪聲電壓，考慮輸入?yún)⒖荚肼曤妷好芏?、噪聲電流以及電阻的熱噪聲等因素。通過計(jì)算各個(gè)噪聲源的輸出參考噪聲電壓密度項(xiàng)，然后取均方根得到總差分輸出噪聲密度。

6.3 單端輸入處理

對(duì)于單端輸入，需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚硪云ヅ湓醋杩购捅ＷC系統(tǒng)性能。首先計(jì)算輸入阻抗，然后添加終端電阻來匹配源電阻，再使用戴維南等效電路進(jìn)行分析和補(bǔ)償。

6.4 電容性負(fù)載驅(qū)動(dòng)

當(dāng)驅(qū)動(dòng)電容性負(fù)載時(shí)，為了減少高頻振鈴和相位裕度損失，可在每個(gè)輸出端串聯(lián)一個(gè)電阻，該電阻和負(fù)載電容形成一階低通濾波器。

七、布局與接地注意事項(xiàng)

作為高速器件，ADA4945 - 1對(duì)PCB環(huán)境較為敏感。在布局時(shí)，應(yīng)確保信號(hào)布線短而直接，避免寄生效應(yīng)；對(duì)于互補(bǔ)信號(hào)，提供對(duì)稱布局以最大化平衡性能；差分信號(hào)布線時(shí)，應(yīng)使PCB走線靠近，并扭轉(zhuǎn)差分線以減小環(huán)路面積。同時(shí)，要在靠近器件的位置對(duì)電源引腳進(jìn)行旁路，使用高頻陶瓷芯片電容，每個(gè)電源使用兩個(gè)并聯(lián)的旁路電容（0.1 μF和10 μF），并確保接地平面連續(xù)且無中斷。

八、總結(jié)

ADA4945 - 1憑借其寬電源范圍、低失調(diào)漂移、低噪聲、低失真以及可選的功率模式等特性，在數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們需要充分考慮其工作原理和性能參數(shù)，合理進(jìn)行應(yīng)用設(shè)計(jì)和PCB布局，以充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)高性能的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)。你在使用類似ADC驅(qū)動(dòng)器時(shí)遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。