AD8170/AD8174高速緩沖多路復(fù)用器：特性、應(yīng)用與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，高速緩沖多路復(fù)用器是實(shí)現(xiàn)信號(hào)切換和處理的關(guān)鍵組件。AD8170(2:1)和AD8174(4:1)作為兩款非常高速的緩沖多路復(fù)用器，在眾多高速應(yīng)用場景中發(fā)揮著重要作用。下面將詳細(xì)介紹它們的特性、應(yīng)用以及設(shè)計(jì)過程中的注意事項(xiàng)。

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一、器件特性

電氣特性

1. 高速性能：具有250 MHz帶寬（G = +2），1000 V/μs的壓擺率，通道切換速度快至10 ns，建立時(shí)間僅15 ns至0.1%，能滿足高速信號(hào)處理需求。 在當(dāng)今高速發(fā)展的電子技術(shù)領(lǐng)域，AD8170/AD8174高速緩沖多路復(fù)用器憑借其卓越的電氣特性脫穎而出。下面我們來詳細(xì)探討其各項(xiàng)特性及其在實(shí)際應(yīng)用中的重要意義。

電氣特性

高速性能

AD8170和AD8174具備令人矚目的高速性能。它們擁有250 MHz的帶寬（G = +2），這意味著在高頻信號(hào)處理方面表現(xiàn)出色，能夠準(zhǔn)確傳輸和處理高頻信號(hào)，減少信號(hào)失真。1000 V/μs的壓擺率使得信號(hào)能夠快速變化，適應(yīng)高速變化的信號(hào)環(huán)境。通道切換速度快至10 ns，這對于需要快速切換信號(hào)通道的應(yīng)用場景，如視頻切換、高速數(shù)據(jù)采集等非常關(guān)鍵，能夠大大提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。而建立時(shí)間僅15 ns至0.1%，確保了信號(hào)在切換后能夠迅速穩(wěn)定，為后續(xù)的信號(hào)處理提供了可靠的基礎(chǔ)。那么問題來了，在實(shí)際的高速信號(hào)處理系統(tǒng)中，這種快速的建立時(shí)間能夠?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)的性能帶來哪些具體的提升呢？

輸出驅(qū)動(dòng)能力

內(nèi)部電流反饋輸出放大器能夠提供高達(dá)50 mA的輸出驅(qū)動(dòng)電流，可輕松驅(qū)動(dòng)多種負(fù)載，滿足不同的應(yīng)用需求。例如在驅(qū)動(dòng)一些外部的高功率設(shè)備或者長傳輸線時(shí)，強(qiáng)大的輸出驅(qū)動(dòng)能力就顯得尤為重要，那么在實(shí)際應(yīng)用中，我們?nèi)绾胃鶕?jù)負(fù)載的具體情況來充分發(fā)揮其輸出驅(qū)動(dòng)能力的優(yōu)勢呢？

增益設(shè)置靈活性

可通過外部電阻靈活設(shè)置增益，為不同的應(yīng)用場景提供了定制化的可能。在不同的信號(hào)處理需求下，我們可以根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整外部電阻，從而獲得合適的增益。但是在調(diào)整增益的過程中，需要注意哪些問題才能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性呢？

低功耗與高穩(wěn)定性

功耗小于10 mA，屬于低功耗器件，能夠有效降低系統(tǒng)的能耗。同時(shí)，具有出色的視頻規(guī)格，如增益平坦度、差分增益誤差和差分相位誤差控制在極小范圍內(nèi)，低串?dāng)_（ –78 dB @ 5 MHz ）和高隔離度（關(guān)閉隔離度–88 dB @ 5 MHz，關(guān)斷隔離度–92 dB @ 5 MHz ），確保了信號(hào)的高質(zhì)量傳輸。在設(shè)計(jì)低功耗、高穩(wěn)定性的系統(tǒng)時(shí)，我們又該如何進(jìn)一步優(yōu)化其功耗和穩(wěn)定性呢？

特殊功能

AD8174具有快速輸出禁用功能和關(guān)斷功能?？焖佥敵鼋霉δ芸蓪⑤敵鲋糜诟咦杩?fàn)顟B(tài)，便于多個(gè)設(shè)備級(jí)聯(lián)；關(guān)斷功能可將功耗降低至1.5 mA，在不需要使用時(shí)大大降低能耗。在實(shí)際的多設(shè)備級(jí)聯(lián)系統(tǒng)中，這些功能如何協(xié)同工作以提高整個(gè)系統(tǒng)的效率和性能呢？

二、應(yīng)用場景

視頻領(lǐng)域

• “畫中畫”像素切換：其高速切換和良好的視頻規(guī)格，能夠確保不同視頻信號(hào)的快速切換和高質(zhì)量顯示。想象一下在一個(gè)電視畫面中同時(shí)顯示多個(gè)小窗口的視頻內(nèi)容，這就需要多路復(fù)用器能夠快速準(zhǔn)確地切換信號(hào)，并且保證每個(gè)視頻信號(hào)的清晰度和色彩還原度。
• LCD和等離子顯示器：為顯示器提供穩(wěn)定的信號(hào)輸入，保障圖像的清晰顯示。在顯示器的驅(qū)動(dòng)電路中，AD8170/AD8174能夠準(zhǔn)確地切換不同的信號(hào)源，并且對信號(hào)進(jìn)行放大和處理，使得顯示器能夠呈現(xiàn)出高質(zhì)量的圖像。那么在不同尺寸和分辨率的顯示器中，如何選擇合適的參數(shù)來使用這兩款多路復(fù)用器呢？
• 視頻路由器：實(shí)現(xiàn)視頻信號(hào)的快速路由和切換，滿足復(fù)雜的視頻傳輸需求。在視頻監(jiān)控系統(tǒng)或者電視臺(tái)的信號(hào)傳輸系統(tǒng)中，視頻路由器需要快速地將不同的視頻信號(hào)路由到指定的輸出端口，AD8170/AD8174的高速性能和低串?dāng)_特性正好能夠滿足這種需求。在設(shè)計(jì)視頻路由器時(shí)，如何優(yōu)化其路由算法以充分發(fā)揮這兩款多路復(fù)用器的性能呢？

其他領(lǐng)域

在一些需要高速信號(hào)切換和處理的系統(tǒng)中，如高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等，AD8170/AD8174也能發(fā)揮重要作用。在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，它們可以快速切換不同的傳感器信號(hào)，提高采集效率。在通信系統(tǒng)中，能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)的快速路由和處理，提高通信的穩(wěn)定性和可靠性。那么在這些不同的領(lǐng)域中，還需要考慮哪些因素來確保它們的正常工作呢？

三、工作原理

信號(hào)鏈結(jié)構(gòu)

AD8170/AD8174將寬帶模擬開關(guān)與高速電流反饋放大器集成在一起。輸入開關(guān)采用互補(bǔ)雙極跟隨器級(jí)，通過電流控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)開關(guān)的快速切換，開關(guān)時(shí)間小于10 ns，且能確保低開關(guān)瞬態(tài)。電流反饋放大器提供高達(dá)50 mA的驅(qū)動(dòng)電流，整體增益和頻率響應(yīng)可通過外部電阻設(shè)置，具有很高的靈活性。在實(shí)際的電路設(shè)計(jì)中，我們?nèi)绾胃鶕?jù)具體的需求來調(diào)整外部電阻以優(yōu)化信號(hào)鏈的性能呢？

開關(guān)控制

以AD8174為例，四個(gè)開關(guān)的輸出連接在一起，驅(qū)動(dòng)電流反饋放大器的正輸入，形成4:1多路復(fù)用器，同一時(shí)間只有一個(gè)通道導(dǎo)通。通過使ENABLE引腳置高，可關(guān)閉放大器的電源電流，使輸出呈高阻抗?fàn)顟B(tài)，便于在大型陣列中使用；使SD引腳置高，可關(guān)閉所有開關(guān)、部分邏輯控制電路和放大器的電源電流，將靜態(tài)電流降至1.5 mA。在使用這些控制功能時(shí)，需要注意哪些時(shí)序和電平要求呢？

四、設(shè)計(jì)要點(diǎn)

外部電阻選擇

增益和帶寬由板載電流反饋放大器的閉環(huán)增益和帶寬決定，可通過外部電阻反饋網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行定制。推薦選擇表中電阻以獲得最寬的0.1 dB帶寬和最小的峰值。對于需要精確控制帶寬的應(yīng)用，建議使用1%精度的電阻。不同封裝（DIP和SOIC）的寄生參數(shù)可能不同，可能需要微調(diào)電阻值以獲得最佳頻率性能。如果想要獲得比表中更寬的帶寬，可以減小RF，但會(huì)增加峰值。那么在實(shí)際選擇電阻時(shí)，如何權(quán)衡帶寬和峰值之間的關(guān)系呢？

電容負(fù)載處理

對于電流反饋放大器，負(fù)載電容越高，為保證穩(wěn)定運(yùn)行所需的反饋電阻越高。為獲得寬帶寬和清晰的脈沖響應(yīng)，建議使用小的輸出電阻。表中提供了不同負(fù)載電容下能實(shí)現(xiàn)最佳脈沖響應(yīng)的反饋和串聯(lián)電阻值。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，如何根據(jù)實(shí)際的負(fù)載電容情況來選擇合適的電阻呢？

過載處理

存在三種重要的過載情況：輸入電壓過載、輸出電壓過載和放大器負(fù)反饋輸入的電流過載。在增益為1時(shí)，輸入電壓超出輸入開關(guān)電壓范圍后的恢復(fù)時(shí)間通常小于30 ns；輸出過載恢復(fù)時(shí)間較慢，取決于過載程度，15%過載恢復(fù)時(shí)間小于60 ns，50%過載恢復(fù)時(shí)間約為85 ns。在高增益應(yīng)用中，輸入過載可能導(dǎo)致輸入級(jí)大電流，內(nèi)部限制為40 mA，需考慮對總功耗的影響。在實(shí)際的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，如何采取有效的措施來應(yīng)對這些過載情況，以保護(hù)多路復(fù)用器和整個(gè)系統(tǒng)的安全呢？

布局注意事項(xiàng)

要實(shí)現(xiàn)AD8170和AD8174的高速性能，需要精心設(shè)計(jì)電路板布局和選擇低寄生參數(shù)的元件。避免使用繞線板、原型板和插座，建議使用表面貼裝元件直接焊接到印刷電路板（PCB）上。PCB應(yīng)具有覆蓋元件面未使用部分的接地平面，以提供低阻抗接地路徑，但應(yīng)去除輸入和輸出引腳附近的接地平面以減少雜散電容。使用片式電容器進(jìn)行電源旁路，一端連接接地平面，另一端靠近每個(gè)電源引腳。還應(yīng)并聯(lián)一個(gè)大的鉭電容（4.7 μF - 10 μF）以在寬頻率范圍內(nèi)提供低阻抗電源旁路。信號(hào)走線應(yīng)盡量短，長信號(hào)走線（超過約1英寸）應(yīng)使用帶狀線或微帶線技術(shù)，設(shè)計(jì)特征阻抗為50 Ω或75 Ω，并使用表面貼裝元件進(jìn)行適當(dāng)端接。為減少串?dāng)_，信號(hào)走線之間應(yīng)設(shè)置保護(hù)線（接地或電源線），輸入和輸出信號(hào)線應(yīng)盡量遠(yuǎn)離多路復(fù)用器。如果有多個(gè)信號(hào)層，采用埋入式帶狀線結(jié)構(gòu)，在信號(hào)走線上下和中間設(shè)置接地平面，可獲得最佳串?dāng)_性能。同時(shí)，要注意終端電阻的位置，避免返回電流增加串?dāng)_。在實(shí)際的PCB設(shè)計(jì)中，如何平衡這些布局要求以實(shí)現(xiàn)最佳的性能呢？

五、應(yīng)用案例

8 - 1視頻多路復(fù)用器

將兩個(gè)AD8174 4 - 1多路復(fù)用器與一個(gè)數(shù)字反相器組合，可實(shí)現(xiàn)8 - 1多路復(fù)用器。ENABLE控制引腳允許兩個(gè)運(yùn)算放大器輸出直接連接。當(dāng)ENABLE引腳置高時(shí)，關(guān)閉輸出運(yùn)算放大器的電源電流，使其輸出和反相輸入呈高阻抗?fàn)顟B(tài)。地址線的兩個(gè)最低有效位（LSB）直接連接到兩個(gè)AD8174的A0和A1輸入，第三個(gè)地址線直接連接到一個(gè)器件的ENABLE輸入，并經(jīng)過反相后連接到另一個(gè)器件的ENABLE輸入。這樣，當(dāng)一個(gè)器件啟用時(shí)，另一個(gè)器件呈高阻抗?fàn)顟B(tài)。在這個(gè)應(yīng)用中，啟用器件的運(yùn)算放大器需要驅(qū)動(dòng)兩個(gè)反饋網(wǎng)絡(luò)。在設(shè)計(jì)這種多路復(fù)用器時(shí)，如何優(yōu)化驅(qū)動(dòng)能力和信號(hào)質(zhì)量呢？

彩色文檔掃描儀

在彩色文檔掃描儀中，電荷耦合器件（CCD）輸出的紅、綠、藍(lán)三個(gè)信號(hào)流需要進(jìn)行處理。相關(guān)雙采樣器（CDS）消除CCD常見的較大偏移。然后使用AD8174將三個(gè)信號(hào)流多路復(fù)用到AD876 8 - 或10 - 位20 MSPS ADC中。由于AD8174帶寬高，可直接驅(qū)動(dòng)AD876的開關(guān)電容輸入級(jí)，無需額外緩沖。ADC采樣率為20 MHz，采樣周期為50 ns，假設(shè)占空比為50%，信號(hào)鏈需在25 ns內(nèi)建立，AD8174的0.1%建立時(shí)間為15 ns，可輕松滿足要求。此外，AD8174的第四個(gè)通道可用于測量參考電壓，減少溫度漂移對測量的影響。在這個(gè)應(yīng)用中，如何確保信號(hào)的準(zhǔn)確采集和處理呢？

綜上所述，AD8170和AD8174高速緩沖多路復(fù)用器憑借其出色的性能和豐富的功能，在多個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。但在實(shí)際設(shè)計(jì)和應(yīng)用過程中，需要充分考慮各種因素，合理選擇參數(shù)和布局，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和高性能。希望本文能為電子工程師在使用這兩款多路復(fù)用器時(shí)提供一些有價(jià)值的參考。你在使用AD8170/AD8174的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。