低失真差分ADC驅(qū)動器AD8138：特性、應(yīng)用與設(shè)計要點

在電子設(shè)計領(lǐng)域，對于高性能ADC驅(qū)動器的需求日益增長。AD8138作為一款低失真、差分ADC驅(qū)動器，憑借其出色的性能和獨特的架構(gòu)，在眾多應(yīng)用場景中展現(xiàn)出了卓越的優(yōu)勢。本文將深入探討AD8138的特性、應(yīng)用以及設(shè)計過程中的關(guān)鍵要點。

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一、AD8138的特性亮點

1. 易于使用的轉(zhuǎn)換功能

AD8138能夠輕松實現(xiàn)單端到差分的轉(zhuǎn)換，就像普通運算放大器一樣易于操作，大大簡化了差分信號的放大和驅(qū)動過程。這使得工程師在設(shè)計中無需復(fù)雜的電路布局，即可實現(xiàn)高效的信號轉(zhuǎn)換。

2. 可調(diào)參數(shù)設(shè)計

• 輸出共模電壓可調(diào)：通過VOCM引腳施加電壓，能夠以1:1的比例設(shè)置輸出共模電壓，方便進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，以匹配不同ADC的輸入要求。
• 外部可調(diào)增益：借助外部電阻設(shè)置，可靈活調(diào)整增益，滿足不同應(yīng)用場景下的信號放大需求。

3. 低諧波失真性能

在不同頻率下，AD8138都展現(xiàn)出了極低的諧波失真。例如，在5MHz時，二次諧波可達(dá) -94dBc，三次諧波可達(dá) -114dBc；在20MHz時，二次諧波為 -87dBc，三次諧波為 -85dBc。這種低失真性能使其成為驅(qū)動高性能ADC的理想選擇。

4. 高速動態(tài)響應(yīng)

• 寬帶寬：-3dB帶寬可達(dá)320MHz（G = +1），能夠處理高頻信號，適用于高速數(shù)據(jù)采集和通信系統(tǒng)。
• 快速建立時間：在0.01%的精度下，建立時間僅為16ns，確保信號能夠快速穩(wěn)定，提高采樣精度。
• 快速過載恢復(fù)：過載恢復(fù)時間僅為4ns，能夠迅速從過載狀態(tài)恢復(fù)正常，保證信號的連續(xù)性。

5. 低噪聲與低失調(diào)

輸入電壓噪聲低至5nV/√Hz，典型失調(diào)電壓為1mV，有效減少了噪聲對信號的干擾，提高了信號的質(zhì)量。

6. 寬電源范圍與低功耗

電源范圍為 +3V至±5V，具有良好的電源適應(yīng)性。在5V電源下，功耗僅為90mW，滿足低功耗設(shè)計的需求。

7. 多種封裝形式

提供8引腳SOIC和MSOP封裝，適用于不同的應(yīng)用場景和電路板布局要求。

二、AD8138的應(yīng)用領(lǐng)域

1. ADC驅(qū)動

AD8138能夠為ADC提供低失真、高帶寬的差分信號，平衡輸入信號，最大化ADC的性能。其低諧波失真和快速響應(yīng)特性，使其能夠驅(qū)動10位至16位的高性能ADC，在通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

2. 單端到差分轉(zhuǎn)換器

在需要將單端信號轉(zhuǎn)換為差分信號的應(yīng)用中，AD8138可以輕松實現(xiàn)這一功能，且輸出信號平衡度好，避免了傳統(tǒng)方法中可能出現(xiàn)的不平衡問題。

3. 中頻（IF）和基帶增益模塊

其高帶寬和高線性度的特點，使其適合作為IF和基帶信號鏈中的增益模塊，用于放大和處理中頻和基帶信號。

4. 差分緩沖器

AD8138可以作為差分緩沖器，隔離前后級電路，提高信號的驅(qū)動能力和穩(wěn)定性。

5. 線路驅(qū)動器

在長距離信號傳輸中，AD8138可以作為線路驅(qū)動器，提供足夠的驅(qū)動能力，減少信號衰減和失真。

三、AD8138的理論與設(shè)計要點

1. 工作原理

AD8138與傳統(tǒng)運算放大器的不同之處在于它有兩個輸出端，且輸出電壓方向相反。它依靠高開環(huán)增益和負(fù)反饋來實現(xiàn)所需的輸出電壓。通過兩個反饋回路分別控制差分和共模輸出電壓，使得輸出的共模電壓等于VOCM引腳的電壓，同時保持輸出的平衡度。

2. 閉環(huán)增益設(shè)置

在忽略電容CF的情況下，電路的差模增益可以通過外部電阻RF和RG來設(shè)置，公式為 (frac{V{OUT, d m}}{V{I N, d m}} |=frac{R{F}^{s}}{R{G}^{s}}) 。這為工程師提供了靈活的增益調(diào)整方式。

3. 輸出噪聲估算

輸出噪聲可以通過將輸入?yún)⒖荚肼曧棾艘噪娐返脑肼曉鲆鎭砉浪悖肼曉鲆婀綖?(G{N}=1+left(frac{R{F}}{R_{G}}right)) 。同時，還需要考慮電阻RF和RG的噪聲貢獻(xiàn)。

4. 反饋網(wǎng)絡(luò)失配的影響

即使外部反饋網(wǎng)絡(luò)存在失配，內(nèi)部共模反饋回路仍能保證輸出的平衡度。但失配會導(dǎo)致電路抑制輸入共模信號的能力下降，產(chǎn)生小的差模輸出失調(diào)電壓。

5. 輸入阻抗計算

輸入阻抗取決于信號源是單端還是差分。對于平衡的差分輸入信號，輸入阻抗為 (R_{l N, d m}) ；對于單端輸入信號，輸入阻抗會有所變化。

6. 單電源應(yīng)用中的輸入共模電壓范圍

AD8138針對電平轉(zhuǎn)換和接地參考輸入信號進(jìn)行了優(yōu)化，在單電源應(yīng)用中，能夠有效處理輸入信號。

7. 輸出共模電壓設(shè)置

VOCM引腳內(nèi)部偏置電壓約等于電源中點電壓，但為了更精確地控制輸出共模電平，建議使用外部源或電阻分壓器。

8. 容性負(fù)載驅(qū)動

為了減少容性負(fù)載對脈沖響應(yīng)的影響，可以在反饋電阻兩端跨接小電容，或者在輸出端串聯(lián)小電阻。

9. 布局、接地和旁路設(shè)計

作為高速器件，AD8138對PCB環(huán)境敏感。良好的布局設(shè)計包括大面積的接地平面、靠近器件的電源旁路電容、短而直接的信號布線以及對稱的互補(bǔ)信號布局，以減少寄生效應(yīng)和干擾。

四、典型應(yīng)用電路分析

1. 平衡變壓器驅(qū)動

傳統(tǒng)變壓器在單端驅(qū)動時存在輸出不平衡的問題，尤其是在高頻情況下。AD8138可以作為平衡變壓器驅(qū)動器，為變壓器的初級輸入提供等幅、反相的驅(qū)動信號，有效改善輸出的平衡度。例如，在100MHz時，使用AD8138驅(qū)動變壓器的平衡度比單端驅(qū)動提高了35dB。

2. 高性能ADC驅(qū)動

以AD8138驅(qū)動AD9224為例，通過合理的電路配置和參數(shù)設(shè)置，能夠?qū)崿F(xiàn)低失真的信號傳輸。電路中，AD8138采用單位增益配置，通過VOCM引腳設(shè)置輸出共模電壓為2.5V，以匹配AD9224的要求。在測試中，當(dāng)采樣率為20MSPS時，無雜散動態(tài)范圍（SFDR）可達(dá) -85dBc。

3. 3V電源下的應(yīng)用

在3V電源下，AD8138驅(qū)動AD9203時，通過電壓分壓器提高輸出共模電壓至電源中點，實現(xiàn)直流耦合和電平轉(zhuǎn)換。同時，在兩者之間加入低通濾波器，提高了信號的信噪比。測試結(jié)果表明，在不同信號幅度和頻率下，AD8138都能保持較好的性能，但在接近電源軌時性能會有所下降。

五、總結(jié)與思考

AD8138作為一款高性能的差分ADC驅(qū)動器，在低失真、高速動態(tài)響應(yīng)、可調(diào)參數(shù)等方面表現(xiàn)出色，為電子工程師在設(shè)計高性能信號處理和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時提供了可靠的選擇。在實際應(yīng)用中，工程師需要根據(jù)具體的設(shè)計要求，合理設(shè)置電路參數(shù)，注意布局和接地等細(xì)節(jié)，以充分發(fā)揮AD8138的性能優(yōu)勢。同時，對于不同的應(yīng)用場景，如高速通信、高精度數(shù)據(jù)采集等，還需要進(jìn)一步探索和優(yōu)化電路設(shè)計，以滿足不斷提高的性能需求。你在使用AD8138或類似器件時，遇到過哪些挑戰(zhàn)和問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。