超低失真差分 ADC 驅(qū)動(dòng)器 ADA4938-1/ADA4938-2 深度解析

作為電子工程師，在進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)，選擇合適的 ADC 驅(qū)動(dòng)器至關(guān)重要。今天我們就來詳細(xì)探討一下 Analog Devices 推出的超低失真差分 ADC 驅(qū)動(dòng)器 ADA4938-1/ADA4938-2，希望能為大家的設(shè)計(jì)工作帶來一些啟發(fā)。

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1. 產(chǎn)品特性亮點(diǎn)

1.1 超低諧波失真

ADA4938-1/ADA4938-2 在諧波失真方面表現(xiàn)出色。在 10 MHz 時(shí)，HD2 低至 -106 dBc，HD3 低至 -109 dBc；在 50 MHz 時(shí)，HD2 和 HD3 也能達(dá)到 -82 dBc。如此低的諧波失真，能有效減少信號(hào)失真，提高信號(hào)質(zhì)量，在對(duì)信號(hào)純度要求較高的應(yīng)用中具有明顯優(yōu)勢(shì)。

1.2 低輸入電壓噪聲

其輸入電壓噪聲僅為 2.6 nV/√Hz，這使得在處理微弱信號(hào)時(shí)，能夠最大程度地減少噪聲干擾，保證信號(hào)的準(zhǔn)確性。

1.3 高速性能

• -3 dB 帶寬可達(dá) 1000 MHz（G = +1），能滿足高速信號(hào)處理的需求。
• 壓擺率高達(dá) 4700 V/μs，可快速響應(yīng)信號(hào)的變化。
• 0.1 dB 增益平坦度可到 150 MHz，確保在較寬的頻率范圍內(nèi)信號(hào)增益穩(wěn)定。
• 4 ns 的快速過載恢復(fù)時(shí)間，能夠在信號(hào)過載后迅速恢復(fù)正常工作。

1.4 其他特性

• 典型失調(diào)電壓僅 1 mV，保證了輸出信號(hào)的準(zhǔn)確性。
• 增益可外部調(diào)節(jié)，方便根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行靈活配置。
• 支持差分 - 差分或單端 - 差分操作，以及可調(diào)輸出共模電壓，適應(yīng)性強(qiáng)。
• 寬電源電壓范圍為 +5 V 到 ±5 V，可適應(yīng)多種電源環(huán)境。
• 有單放大器（ADA4938-1）和雙放大器（ADA4938-2）兩種配置可供選擇。

2. 應(yīng)用領(lǐng)域廣泛

該驅(qū)動(dòng)器的特性決定了它在眾多領(lǐng)域都有出色的表現(xiàn)：

• ADC 驅(qū)動(dòng)：是驅(qū)動(dòng)高性能 ADC 的理想選擇，可用于分辨率高達(dá) 16 位（dc 到 27 MHz）或 12 位（dc 到 74 MHz）的 ADC。
• 單端 - 差分轉(zhuǎn)換：能輕松實(shí)現(xiàn)單端信號(hào)到差分信號(hào)的轉(zhuǎn)換，滿足一些對(duì)差分信號(hào)有要求的應(yīng)用。
• IF 和基帶增益塊：可用于中頻和基帶信號(hào)的放大和處理。
• 差分緩沖：提供差分信號(hào)的緩沖功能，增強(qiáng)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力。
• 線路驅(qū)動(dòng)：適用于線路信號(hào)的驅(qū)動(dòng)，提高信號(hào)的傳輸能力。

3. 技術(shù)細(xì)節(jié)剖析

3.1 電路架構(gòu)與工作原理

ADA4938-1/ADA4938-2 采用了獨(dú)特的架構(gòu)，與傳統(tǒng)運(yùn)算放大器不同，它有兩個(gè)輸出電壓方向相反的輸出端。通過開環(huán)增益和負(fù)反饋，將輸出電壓控制在期望的范圍內(nèi)。同時(shí)，采用了兩個(gè)反饋環(huán)路來分別控制差分輸出電壓和共模輸出電壓，這種架構(gòu)使得輸出在寬頻率范圍內(nèi)具有高度平衡性，且無需緊密匹配的外部組件。

3.2 性能參數(shù)分析

在不同的工作條件下，如雙電源和單電源操作，ADA4938-1/ADA4938-2 都有詳細(xì)的性能參數(shù)。例如，在雙電源操作（ (T{A}=25^{circ}C) ，+Vs = 5V，-Vs = -5V ）時(shí)，-3 dB 小信號(hào)帶寬可達(dá) 1000 MHz，輸入電壓噪聲為 2.6 nV/√Hz ；在單電源操作（ (T{A}=25^{circ}C) ，+Vs = 5V，-Vs = 0V ）時(shí)，也有相應(yīng)的性能表現(xiàn)。這些參數(shù)為我們?cè)谠O(shè)計(jì)電路時(shí)提供了重要的參考依據(jù)。

3.3 增益設(shè)置與噪聲估計(jì)

• 增益設(shè)置：差分模式增益可通過公式 (frac{V{OUT, d m}}{V{I N, d m}}=frac{R{F}}{R{G}}) 確定，前提是輸入電阻 (R{G}) 和反饋電阻 (R{F}) 兩側(cè)相等。
• 噪聲估計(jì)：可使用噪聲模型估算差分輸出噪聲，輸入?yún)⒖荚肼曤妷好芏?、噪?a href="http://m.makelele.cn/tags/電流/" target="_blank">電流等因素都會(huì)對(duì)輸出噪聲產(chǎn)生影響。通過合理選擇電阻值和優(yōu)化電路布局，可以降低輸出噪聲。

3.4 輸入阻抗與共模電壓范圍

• 輸入阻抗：對(duì)于平衡差分輸入信號(hào)，輸入阻抗 (R{IN, dm}=2 ×R{G}) ；對(duì)于不平衡單端輸入信號(hào)，輸入阻抗計(jì)算公式為 (R{I N, c m}=left(frac{R{G}}{1-frac{R{F}}{2 timesleft(R{G}+R_{F}right)}}right)) 。
• 輸入共模電壓范圍：在單電源應(yīng)用中，輸入共模電壓范圍從 -Vs + 0.3 V 到 +Vs - 1.6 V ，設(shè)計(jì)時(shí)需注意信號(hào)電壓擺動(dòng)應(yīng)在此范圍內(nèi)，以避免輸出削波。

4. 設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

4.1 布局與接地

作為高速器件，ADA4938-1/ADA4938-2 對(duì) PCB 環(huán)境敏感。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)確保有一個(gè)大面積的實(shí)心接地平面，但在反饋電阻 (R{F}) 、輸入增益電阻 (R{G}) 和輸入求和節(jié)點(diǎn)附近應(yīng)清除所有接地和電源平面，以減少雜散電容，防止放大器在高頻時(shí)響應(yīng)出現(xiàn)峰值。

4.2 電源旁路

電源引腳應(yīng)盡可能靠近器件進(jìn)行旁路，并直接連接到附近的接地平面。建議使用高頻陶瓷貼片電容，每個(gè)電源使用兩個(gè)并聯(lián)的旁路電容（1000 pF 和 0.1 μF），將 1000 pF 電容置于更靠近器件的位置。如果距離較遠(yuǎn)，還需使用 10 μF 鉭電容從每個(gè)電源到地進(jìn)行低頻旁路。

4.3 信號(hào)路由

信號(hào)路由應(yīng)短而直接，以避免寄生效應(yīng)。對(duì)于互補(bǔ)信號(hào)，應(yīng)提供對(duì)稱布局，以最大化平衡性能。在長(zhǎng)距離路由差分信號(hào)時(shí)，應(yīng)使 PCB 走線靠近并絞合任何差分布線，以減少環(huán)路面積，降低輻射能量，提高電路抗干擾能力。

5. 實(shí)際應(yīng)用案例

5.1 驅(qū)動(dòng) AD9446 ADC

在驅(qū)動(dòng) 16 位、80 MSPS 的 AD9446 ADC 時(shí)，ADA4938-1/ADA4938-2 采用 10 V 單電源和單位增益配置，實(shí)現(xiàn)單端輸入到差分輸出的轉(zhuǎn)換。通過 61.9 Ω 終端電阻提供 50 Ω 源端匹配，輸出通過二階低通濾波器與 ADC 直流耦合，有效減少放大器的噪聲帶寬，并將驅(qū)動(dòng)器輸出與 ADC 輸入隔離。

5.2 驅(qū)動(dòng) AD9246 ADC

在驅(qū)動(dòng) 14 位、125 MSPS 的 AD9246 ADC 時(shí)，ADA4938-1/ADA4938-2 采用 ±5 V 雙電源和 ~2 V/V 增益配置。76.8 Ω 終端電阻提供 50 Ω 直流終端匹配，輸出通過單極低通濾波器與 ADC 直流耦合，同時(shí)將 (V_{OCM}) 引腳連接到 AD9246 的 CML 引腳，設(shè)置輸出共模電平。

6. 總結(jié)

ADA4938-1/ADA4938-2 憑借其超低失真、低噪聲、高速等優(yōu)異特性，以及廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和靈活的配置選項(xiàng)，成為電子工程師在 ADC 驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中的優(yōu)秀選擇。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，我們需要充分了解其技術(shù)細(xì)節(jié)和設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)，結(jié)合具體應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以發(fā)揮其最佳性能。大家在使用過程中有沒有遇到過什么問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)留言分享。