简介

模数转换器 (ADC)（包括嵌入到 TMS320F2837xD 系列等微控制器中的模数转换器）呈增长趋势，以支持使用全差动输入，来更大限度地提高产品性能。本文档旨在通过多项规格的实验室分析，展示使用全差动放大器 (FDA) 将单端信号转换为差动信号以驱动差动 ADC 带来的性能提升及其重要意义，并与分立式双通道运算放大器（如 OPA2328 或 OPA2320）进行比较。评估的主要规格包括偶次谐波（HD₂、HD₄）、总计谐波失真 (THD)、信噪比 (SNR) 和有效位数 (ENOB)。此外，还总结了其他特性，包括输出共模控制、功耗、有源滤波能力、易用性、设计尺寸和高输入阻抗。

内容摘要

有关汇总以下文档结果的快速参考表，请参阅表 1，获取内容摘要。

电路配置和实现

图 1 显示了使用双通道运算放大器驱动差动 ADC 输入时的电路配置。请注意，在非反相配置中使用双通道运算放大器实现高阻抗时，通常需要两个参考电压，因为每个放大器级的输入和输出偏置电压都会影响最终输出共模电压，需要通过这两个参考电压进行调整。这通常需要额外购买 IC（即 LM27761 等低噪声电压逆变器），以产生负直流偏置，从而导致设计尺寸更大，系统成本更高。

接下来，图 2 展示了驱动差动 ADC 时全差动放大器的电路配置，这种配置通常不需要任何外部参考电压。FDA 上的共模电压引脚可以直接连接到 ADC 的参考电压输出，由于 FDA 中集成了内部误差环路放大器，因此不会进行额外的偏置电压处理。

图 1 用于差动输出驱动的双通道运算放大器配置

图 2 用于差动输出驱动的全差动放大器配置

器件架构比较

选择用于比较和分析的两款器件是 OPA2328 运算放大器和 THS4536 全差动放大器。凭借相似的工艺技术、带宽性能和精度规格，在实现高直流精度设计时，它们都是可用于 ADC 驱动的类似器件。

此表还会展示，当全差动放大器和双通道运算放大器都采用 CMOS 处理方面的专业技术设计时，两者在静态电流方面的差异。在使用 5V 电源时，OPA2328 两个通道的电流为 7.6mA，而单通道 THS4536 为 4.7mA，这表明全差动放大器使功耗降低了 14.5mW 或 38%。

总谐波失真 (THD)

总计谐波失真即添加到理想信号 (8) 的不必要频率（谐波）的测量值。理想情况下，THD 越低越好。放大器的线性可以通过其 THD 性能进行量化，一般经验法则是工程师必须在相关频率范围内选择比 ADC 至少高 10dB 的放大器。对于 FDA，理想情况下差动信号路径中的偶次谐波会减少，从而降低总计谐波失真 (5)。图 4 展示了该原理的一部分，因为在为 SAR 16 位 1MSPS ADC (ADS9224R) 驱动多种不同输入频率时，THS4536 的总计谐波失真低于 OPA2328。

图 3 HD₂ 和 HD₄ 与输入频率间的关系

图 4 总计谐波失真与输入频率间的关系 (1MSPS)

大信号阶跃和相位延迟

相位延迟即差动 ADC 正负输入端子的相位差。为了从 ADC 获得最高性能和精度，进入 ADC 的输入信号的相位和振幅分量应尽可能匹配，确保偶次谐波（2 阶和 4 阶）受到的影响尽可能小，信号带宽得到优化，并且趋稳误差降低。在双通道运算放大器配置中，第一级放大器的增益通常会增加，这会导致放大器速度变慢，而第二级放大器会加剧增益和相位不平衡。相比之下，FDA 的架构本身具有出色的输出平衡，因为输入级是并行处理的（包括应用增益），从而尽可能降低相位延迟。这些原理以及噪声性能和趋稳误差可以通过 ADC 的有效位数 (ENOB) 来体现。

图 5 ENOB 与输入频率间的关系

频谱噪声

外部放大器对系统噪声的影响是一项复杂的分析；然而，一般指导原则是，选择一个在所需增益水平下等于或低于整体系统噪声的放大器。有关 ADC 有效噪声带宽 (ENBW) 计算方式以及外部放大器的影响的深入讨论，请参阅参考资料 9 精密 ADC 噪声分析的基本原理第 2 章和第 3 章。在短期考虑和评估中，图 6 展示了驱动 ADS9224S（1kHz 信号）的 OPA2328 和 THS4536 频谱噪声的快速傅里叶变换 (FFT) 与频率间关系图，表明 THS4536 具有较低的闪烁噪声。闪烁 (1/f) 噪声越大，闪烁噪声和宽带噪声之间的交叉频率越高，ADC 将采样的噪声就越多，从而导致输出代码结果降低，并降低 ADC 的有效带宽。此外，信噪比（或 SNR）衡量输入信号强度与不必要噪声的比率，可用于展示 THS4536 在驱动 ADC 时的性能优势。

图 6 FFT 与频率间的关系

图 7 SNR 与频率之间的关系 (1MSPS)

结语

由于全差动放大器具有集成的架构和固有的差动信号特性，因此可实现诸多信号链改进。在相同或更低的功耗下，工程师应该会发现以下优势：对 SNR 影响最小、THD 最低、ENOB 最大、设计尺寸更小、集成输出共模控制，并且能够通过易于使用、成本更低的器件，为同一元件添加有源滤波器。通过为 ADC 选择正确的 FDA，可确保 ADC 及后续最终系统实现卓越性能且实现方式简单。

常用 ADC 和 FDA 建议

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