超低失真電流反饋差分 ADC 驅(qū)動器 ADA4927-1/ADA4927-2 深度剖析

在電子工程師的日常設(shè)計工作中，選擇合適的 ADC 驅(qū)動器至關(guān)重要。今天，我們就來深入了解一款性能卓越的超低失真電流反饋差分 ADC 驅(qū)動器——ADA4927-1/ADA4927-2。

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一、產(chǎn)品概述

ADA4927 是一款低噪聲、超低失真、高速的電流反饋差分放大器，非常適合驅(qū)動分辨率高達 16 位、頻率從直流到 100 MHz 的高性能 ADC。它采用了 Analog Devices 公司的硅鍺互補雙極工藝，輸入電壓噪聲僅為 1.3 nV/√Hz，能夠?qū)崿F(xiàn)極低的失真水平。

二、產(chǎn)品特性

（一）超低諧波失真

在不同頻率下，ADA4927 都展現(xiàn)出了出色的諧波失真性能。例如，在 10 MHz 時，HD2 為 -105 dBc，HD3 為 -103 dBc；在 70 MHz 時，HD2 為 -91 dBc，HD3 為 -98 dBc；在 100 MHz 時，HD2 為 -87 dBc，HD3 為 -89 dBc。而且，與電壓反饋放大器相比，它在更高增益下具有更好的失真性能。

（二）低輸入電壓噪聲

輸入電壓噪聲僅為 1.4 nV/√Hz，能夠有效降低系統(tǒng)噪聲，提高信號質(zhì)量。

（三）高速性能

• -3 dB 帶寬高達 2.3 GHz，能夠滿足高速信號處理的需求。
• 0.1 dB 增益平坦度可達 150 MHz，保證了信號在較寬頻率范圍內(nèi)的穩(wěn)定放大。
• 壓擺率為 5000 V/μs，25% 到 75% 響應(yīng)迅速。
• 0.1% 建立時間僅為 10 ns，能夠快速穩(wěn)定輸出信號。

（四）其他特性

• 低輸入失調(diào)電壓，典型值為 0.3 mV。
• 外部可調(diào)增益，可根據(jù)實際需求靈活調(diào)整。
• 穩(wěn)定性和帶寬由反饋電阻控制，設(shè)計更加靈活。
• 支持差分 - 差分或單端 - 差分操作。
• 可調(diào)輸出共模電壓，方便與 ADC 輸入共模電平匹配。
• 寬電源操作范圍，從 +5 V 到 ±5 V。

三、應(yīng)用領(lǐng)域

ADA4927 具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，包括但不限于：

• ADC 驅(qū)動：為高性能 ADC 提供低失真、低噪聲的驅(qū)動信號。
• 單端 - 差分轉(zhuǎn)換：將單端信號轉(zhuǎn)換為差分信號，提高信號抗干擾能力。
• IF 和基帶增益模塊：在中頻和基帶信號處理中提供增益。
• 差分緩沖：對差分信號進行緩沖和放大。
• 差分線驅(qū)動：驅(qū)動差分線路，實現(xiàn)信號的遠距離傳輸。

四、規(guī)格參數(shù)

（一）±5 V 操作

在 ±5 V 電源供電、TA = 25°C 的條件下，ADA4927 具有以下性能參數(shù)：

• 動態(tài)性能：
  • -3 dB 小信號帶寬：VOUT, dm = 0.1 V p-p 時，為 2300 MHz。
  • -3 dB 大信號帶寬：VOUT, dm = 2.0 V p-p 時，為 1500 MHz。
  • 0.1 dB 平坦度帶寬：ADA4927-1 在 VOUT, dm = 0.1 V p-p 時為 150 MHz；ADA4927-2 在 VOUT, dm = 0.1 V p-p 時為 120 MHz。
  • 壓擺率：VOUT, dm = 2 V 階躍、25% 到 75% 時，為 5000 V/μs。
  • 0.1% 建立時間：VOUT, dm = 2 V 階躍時，為 10 ns。
  • 過載恢復(fù)時間：VIN = 0 V 到 0.9 V 階躍、G = 10 時，為 10 ns。
• 噪聲/諧波性能：
  • 二次諧波：VOUT, dm = 2 V p-p、10 MHz 時，為 -105 dBc；70 MHz 時，為 -91 dBc；100 MHz 時，為 -87 dBc。
  • 三次諧波：VOUT, dm = 2 V p-p、10 MHz 時，為 -103 dBc；70 MHz 時，為 -98 dBc；100 MHz 時，為 -89 dBc。
  • IMD：f1 = 70 MHz、f2 = 70.1 MHz、VOUT, dm = 2 V p-p 時，為 -94 dBc；f1 = 140 MHz、f2 = 140.1 MHz、VOUT, dm = 2 V p-p 時，為 -85 dBc。
  • 電壓噪聲（RTI）：f = 100 kHz、G = 28 時，為 1.4 nV/√Hz。
  • 輸入電流噪聲：f = 100 kHz、G = 28 時，為 14 pA/√Hz。
  • 串?dāng)_：f = 100 MHz、ADA4927-2 時，為 -75 dB。
• 輸入特性：
  • 失調(diào)電壓：VIP = VIN = VOCM = 0 V 時，為 -1.3 到 +0.3 到 +1.3 mV，tMIN 到 tMAX 變化為 ±1.5 μV/°C。
  • 輸入偏置電流：為 -15 到 +0.5 到 +15 μA，tMIN 到 tMAX 變化為 ±0.1 μA/°C。
  • 輸入失調(diào)電流：為 -10.5 到 -0.6 到 +10.5 μA。
  • 輸入電阻：差分為 14 Ω，共模為 120 kΩ。
  • 輸入電容：差分為 0.5 pF。
  • 輸入共模電壓范圍：為 -3.5 到 +3.5 V。
  • 共模抑制比（CMRR）：為 -70 到 -93 dB。
  • 開環(huán)跨阻：為 120 到 185 kΩ。
• 輸出特性：
  • 輸出電壓擺幅：每個單端輸出，RF = RG = 10 kΩ 時，為 -3.8 到 +3.8 V。
  • 線性輸出電流：為 65 mA p-p。
  • 輸出平衡誤差：?VOUT, cm/?VOUT, dm、?VOUT, dm = 1 V、10 MHz 時，為 -65 dB。

（二）+5 V 操作

在 +5 V 電源供電的條件下，ADA4927 也具有相應(yīng)的性能參數(shù)，具體可參考數(shù)據(jù)手冊。

（三）絕對最大額定值

• 電源電壓：11 V。
• 功率耗散：需參考相關(guān)圖表。
• 輸入電流：+IN、-IN、PD 為 ±5 mA。
• 存儲溫度范圍：-65°C 到 +125°C。
• 工作溫度范圍：-40°C 到 +105°C。
• 引腳溫度（焊接，10 秒）：300°C。
• 結(jié)溫：150°C。

（四）熱阻

• 16 引腳 LFCSP（暴露焊盤）：87 °C/W。
• 24 引腳 LFCSP（暴露焊盤）：47 °C/W。

（五）最大功耗

ADA4927 封裝的最大安全功耗受芯片結(jié)溫（TJ）上升的限制。在約 150°C 的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度下，塑料會改變性能。即使暫時超過此溫度限制，也可能改變封裝對芯片施加的應(yīng)力，永久性地改變 ADA4927 的參數(shù)性能。長時間超過 150°C 的結(jié)溫可能導(dǎo)致硅器件發(fā)生變化，可能導(dǎo)致故障。

五、引腳配置和功能描述

（一）ADA4927-1

（二）ADA4927-2

ADA4927-2 采用 24 引腳 LFCSP 封裝，各引腳功能可參考數(shù)據(jù)手冊中的詳細描述。

六、典型性能特性

通過一系列的圖表，我們可以直觀地了解 ADA4927 在不同條件下的性能表現(xiàn)，包括不同增益、不同電源、不同溫度、不同負(fù)載和不同 VOCM 水平下的頻率響應(yīng)、諧波失真、無雜散動態(tài)范圍、串?dāng)_、CMRR、PSRR、輸出平衡、回波損耗等特性。這些特性對于工程師在實際設(shè)計中選擇合適的工作條件和參數(shù)具有重要的參考價值。

七、測試電路

數(shù)據(jù)手冊中提供了多種測試電路，包括基本測試電路、輸出平衡和 CMRR 測試電路、失真測量測試電路等。這些測試電路可以幫助工程師準(zhǔn)確測量 ADA4927 的各項性能參數(shù)，驗證其是否滿足設(shè)計要求。

八、應(yīng)用信息

（一）分析應(yīng)用電路

ADA4927 利用高開環(huán)跨阻和負(fù)電流反饋來控制差分輸出電壓，以最小化差分誤差電流。在大多數(shù)情況下，可以假設(shè)這些誤差電流為零，并且放大器輸入之間的電壓內(nèi)部自舉為 0 V，因此可以采用類似于電壓反饋放大器的方法進行外部分析。同樣，實際輸出共模電壓與施加到 VOCM 的電壓之間的差異也可以假設(shè)為零?；谶@些原理，可以分析任何應(yīng)用電路。

（二）設(shè)置閉環(huán)增益

差分增益可以通過公式 (G{dm}=frac{V{OUT, dm}}{V{IN, dm}}=frac{R{F}}{R_{G}}) 來確定，前提是兩側(cè)的輸入電阻（RG）和反饋電阻（RF）值相等。

（三）估計輸出噪聲電壓

可以使用噪聲模型來估計 ADA4927 的差分輸出噪聲。輸入?yún)⒖荚肼曤妷好芏?vnIN 被建模為差分輸入，噪聲電流 inIN - 和 inIN + 出現(xiàn)在每個輸入與地之間。由于 vnIN 產(chǎn)生的輸出電壓通過將 vnIN 乘以噪聲增益 GN 獲得。噪聲電流是不相關(guān)的，具有相同的均方值，每個噪聲電流產(chǎn)生的輸出電壓等于噪聲電流乘以相關(guān)的反饋電阻。當(dāng)反饋網(wǎng)絡(luò)具有相同的反饋因子時，vnCM 產(chǎn)生的輸出噪聲是共模的。四個電阻中的每個電阻貢獻 ((4kTRxx)^{1/2})。反饋電阻的噪聲直接出現(xiàn)在輸出端，每個增益電阻的噪聲乘以 RF/RG 后出現(xiàn)在輸出端?？偛罘州敵鲈肼暶芏?(v_{nOD}) 是各個輸出噪聲項的均方根。

（四）反饋網(wǎng)絡(luò)失配的影響

即使外部反饋網(wǎng)絡(luò) ((R{F} / R{G})) 失配，內(nèi)部共模反饋環(huán)仍會迫使輸出保持平衡。每個輸出處的信號幅度保持相等且相位相差 180°。輸入 - 輸出差分模式增益與反饋失配成比例變化，但輸出平衡不受影響。從 VOCM 引腳到 (V{O, dm}) 的增益等于 (2(beta 1 - beta 2) / (beta 1 + beta 2))。在大多數(shù)應(yīng)用中，反饋環(huán)名義上匹配在 1% 以內(nèi)，VOCM 輸入引起的輸出噪聲和失調(diào)可以忽略不計。如果有意使環(huán)路失配很大，則需要考慮從 VOCM 到 (V{O, dm}) 的增益項并考慮額外的噪聲。

（五）計算應(yīng)用電路的輸入阻抗

對于平衡差分輸入信號，輸入阻抗 (R{IN, dm}=R{G}+R{G}=2 × R{G})；對于不平衡的單端輸入信號，輸入阻抗的計算公式為 (R{IN}=frac{R{G}(1 + frac{R{F}}{R{G}})}{2})。

（六）單端輸入的端接

對于單端輸入的 ADA4927，需要進行適當(dāng)?shù)亩私?。具體步驟包括計算輸入阻抗、計算端接電阻、添加校正電阻和調(diào)整反饋電阻以獲得所需的輸出電壓。

（七）輸入共模電壓范圍

ADA4927 的輸入共模范圍在兩個電源軌之間居中，適用于交流耦合、差分 - 差分和雙電源應(yīng)用。在 ±5 V 電源下，放大器求和節(jié)點的輸入共模范圍為 -3.5 V 到 +3.5 V；在 +5 V 單電源下，為 +1.3 V 到 +3.7 V。為避免非線性，+IN 和 -IN 端子的電壓擺幅必須限制在這些范圍內(nèi)。

（八）輸入和輸出電容交流耦合

可以在源和 RG 之間插入輸入交流耦合電容，這會阻止直流共模反饋電流的流動，使 ADA4927 的直流輸入共模電壓等于直流輸出共模電壓。為保持反饋因子匹配，必須在兩個環(huán)路中都放置這些交流耦合電容。輸出交流耦合電容可以串聯(lián)放置在每個輸出和相應(yīng)負(fù)載之間。

（九）設(shè)置輸出共模電壓

ADA4927 的 VOCM 引腳內(nèi)部由兩個 10 kΩ 電阻組成的分壓器偏置，電壓約等于電源中點 ([(+Vs)+(-Vs)] / 2)。由于這個內(nèi)部分壓器，VOCM 引腳根據(jù)外部施加的電壓和相關(guān)的源電阻來源和吸收電流。依靠內(nèi)部偏置會使輸出共模電壓在預(yù)期值的約 100 mV 以內(nèi)。如果需要精確控制輸出共模電平，建議使用源電阻小于 100 Ω 的外部源或電阻分壓器。也可以將 VOCM 輸入連接到 ADC 的共模電平（CML）輸出，但必須確保輸出具有足夠的驅(qū)動能力。VOCM 引腳的輸入阻抗約為 10 kΩ。如果多個 ADA4927 設(shè)備共享一個 ADC 參考輸出，可能需要一個緩沖器來驅(qū)動并行輸入。

（十）掉電

掉電功能可以在特定設(shè)備不使用時降低功耗，并且在激活時不會將輸出置于高阻態(tài)。通常通過將掉電引腳拉到正電源來啟用 ADA4927。在環(huán)境溫度低于 0°C 的應(yīng)用中，不建議使用掉電功能。

九、布局、接地和旁路

作為高速設(shè)備，ADA4927 對其工作的 PCB 環(huán)境敏感。為實現(xiàn)其卓越性能，需要注意高速 PCB 設(shè)計的細節(jié)。具體要求包括：

• 提供一個盡可能覆蓋 ADA4927 周圍電路板面積的實心接地平面，但要清除反饋電阻（RF）、增益電阻（RG）和輸入求和節(jié)點（引腳 2 和引腳 3）附近的所有接地和電源平面，以最小化這些節(jié)點的雜散電容，防止放大器在高頻下出現(xiàn)峰值響應(yīng)。
• 盡可能靠近設(shè)備對電源引腳進行旁路，并直接連接到附近的接地平面。使用高頻陶瓷貼片電容，建議每個電源使用兩個并聯(lián)的旁路電容（1000 pF 和 0.1 μF），1000 pF 電容應(yīng)更靠近設(shè)備。在更遠的地方，使用 10 μF 鉭電容從每個電源到地提供低頻大容量旁路。
• 使信號布線短而直接，以避免寄生效應(yīng)。只要存在互補信號，就提供對稱布局以最大化平衡性能。在長距離路由差分信號時，將 PCB 走線靠近放置，并扭轉(zhuǎn)任何差分布線，以使環(huán)路面積最小化，從而減少輻射能量并使電路更不易受到干擾。

十、高性能 ADC 驅(qū)動

ADA4927 非常適合單電源下的高增益、寬帶交流耦合和差分 - 差分應(yīng)用。與電壓反饋放大器相比，電流反饋架構(gòu)在高增益下提供更好的失真和帶寬性能。例如，在驅(qū)動 AD9445 14 位、105 MSPS ADC 的電路中，ADA4927 消除了驅(qū)動 ADC 所需的變壓器，實現(xiàn)了單端 - 差分轉(zhuǎn)換和驅(qū)動信號的緩沖。通過在 ADA4927 輸入和輸出端進行交流耦合，可以減少噪聲帶寬并隔離驅(qū)動器輸出與 ADC 輸入。

十一、總結(jié)

ADA4927-1/ADA4927-2