AD8137：低成本、低功耗差分ADC驅(qū)動器的卓越之選

在電子設計領域，對于ADC驅(qū)動器的需求日益增長，尤其是在對功耗和成本敏感的系統(tǒng)中。AD8137作為一款低成本、低功耗的差分ADC驅(qū)動器，憑借其出色的性能和豐富的特性，成為了眾多工程師的首選。本文將深入介紹AD8137的特點、性能參數(shù)、工作原理以及應用場景，幫助工程師更好地了解和應用這款產(chǎn)品。

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一、AD8137的特性亮點

1. 低功耗設計

AD8137具有極低的功耗，在5V電源下，靜態(tài)供電電流僅為2.6mA，而在掉電模式下，電流可降至450μA。這種低功耗特性使得它非常適合用于電池供電的應用，能夠有效延長設備的續(xù)航時間。

2. 高速性能

該驅(qū)動器具備高速特性，在增益為1時，大信號3dB帶寬可達110MHz，壓擺率為450V/μs，在500kHz時具有12位的無雜散動態(tài)范圍（SFDR）性能。快速的響應速度和高帶寬能夠滿足高速信號處理的需求。

3. 高精度表現(xiàn)

輸入失調(diào)電壓最大為±2.6mV，輸入失調(diào)電流最大為0.45μA，這些參數(shù)保證了信號處理的高精度。同時，其內(nèi)部的共模反饋架構使得輸出共模電壓易于控制，并且能夠抑制偶次諧波失真產(chǎn)物，提供平衡的輸出。

4. 靈活的工作模式

支持差分輸入和輸出，可實現(xiàn)差分轉(zhuǎn)差分或單端轉(zhuǎn)差分的操作。輸出具有軌到軌的特性，并且輸出共模電壓可調(diào)節(jié)，增益也能通過外部進行調(diào)整，適應不同的應用需求。

5. 寬電源電壓范圍

電源電壓范圍為2.7V至12V，能夠適應多種電源環(huán)境，增加了設計的靈活性。此外，它還采用了小型SOIC封裝，適合空間受限的應用，并且經(jīng)過了汽車應用的認證，可用于汽車相關系統(tǒng)。

二、性能參數(shù)詳解

AD8137在不同電源電壓和工作條件下的性能參數(shù)有所不同。以(V{s}= pm 5 V)，(V{OCM}=0 V)（@25°C，差分增益 = 1，(R{L, dm}=R{F}=R_{G}=1 k Omega)）為例，其主要性能參數(shù)如下：

• 動態(tài)性能：小信號-3dB帶寬為64 - 76MHz，大信號-3dB帶寬為63 - 110MHz，壓擺率為450V/μs，0.02%的建立時間為100ns，過載恢復時間為85ns。
• 噪聲/諧波性能：在(V{O, dm}=2 V{p-p})，(f_{C}=500 kHz)時，SFDR為90dB；輸入電壓噪聲在50kHz至1MHz范圍內(nèi)為8.25nV/√Hz，輸入電流噪聲為1pA/√Hz。
• 直流性能：輸入失調(diào)電壓最大為±2.6mV，輸入失調(diào)電壓漂移為3μV/°C，輸入偏置電流為0.5 - 1.0μA，輸入失調(diào)電流最大為0.45μA，開環(huán)增益為91dB。

當電源電壓和共模電壓改變時，部分參數(shù)會相應發(fā)生變化，但總體性能依然保持在較高水平。

三、工作原理剖析

AD8137是一款低功耗、低成本的全差分電壓反饋放大器，采用了兩個反饋回路分別控制差分和共模反饋。差分增益通過外部電阻設置，與傳統(tǒng)放大器類似；輸出共模電壓由內(nèi)部反饋回路控制，通過外部(V_{OCM})輸入進行設定。這種架構使得輸出共模電壓能夠在不影響差分增益的情況下任意設置。

輸入跨導級是一個H橋，其輸出電流被鏡像到高阻抗節(jié)點CP和CN。輸出部分是傳統(tǒng)的H橋驅(qū)動電路，由共發(fā)射極器件驅(qū)動節(jié)點+OUT和 - OUT。放大器的3dB點由公式(BW=frac{g{m}}{2 pi × C{C}})定義，其中(g{m})是輸入級的跨導，(C{C})是節(jié)點CP/CN上的總電容。對于AD8137，輸入級(g{m})約為1mA/V，電容(C{C})為3.5pF，使得放大器的交叉頻率為41MHz。

共模反饋放大器ACM對輸出共模電壓進行采樣，并通過負反饋使輸出共模電壓等于(V{OCM})輸入的電壓。即使(V{OCM})輸入懸空，內(nèi)部偏置發(fā)生器也會將輸出共模電壓設置為大約電源中點電壓。這種共模反饋回路能夠在寬頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生高度平衡的輸出，無需緊密匹配的外部組件。

四、應用場景與設計要點

1. 典型應用分析

在使用匹配的(R{F})和(R{G})網(wǎng)絡的典型應用中，AD8137的差分輸入端子(V{AP})和(V{AN})作為求和節(jié)點，外部參考電壓施加到(V{OCM})端子來設置輸出共模電壓。輸出端子(V{OP})和(V_{ON})會根據(jù)輸入信號以平衡的方式反向移動。

輸出平衡是衡量(V{OP})和(V{ON})幅度匹配程度和相位差的指標，內(nèi)部共模反饋回路使得輸出共模信號分量趨近于零，從而實現(xiàn)近乎完美的平衡差分輸出。輸出平衡通過在差分電壓輸出端放置一個匹配良好的電阻分壓器，并將分壓器中點的信號與差分輸出的幅度進行比較來測量。

2. 噪聲、增益和帶寬估計

電壓增益可以通過信號定義和電路連接關系推導得出，反饋因子(beta)的引入方便了差分驅(qū)動器的分析。輸入共模電壓的線性范圍延伸到接近任一電源軌約1V的范圍內(nèi)，輸入阻抗取決于信號源是單端還是差分。

3. 輸入共模擺幅考慮

在單端轉(zhuǎn)差分應用中，使用單電源電壓時需要注意輸入共模電壓的擺幅?？梢酝ㄟ^將(V{IN})和(V{REF})偏置在電源中點，或者使用雙電源供電來避免輸入共模擺幅的限制。

4. 帶寬與閉環(huán)增益關系

AD8137的3dB帶寬與閉環(huán)增益成反比，類似于傳統(tǒng)電壓反饋運算放大器。對于閉環(huán)增益大于4的情況，特定增益下的帶寬可以通過公式(f{-3dB}, V{O, dm}=frac{R{G}}{R{G}+R_{F}} times(72 MHz))進行估計。

5. 直流誤差估計

AD8137的主要差分輸出失調(diào)誤差由輸入失調(diào)電壓、輸入電流與反饋網(wǎng)絡電阻的相互作用以及輸入和輸出共模電壓的直流電壓差與反饋網(wǎng)絡匹配誤差共同導致?？偛罘质д{(diào)誤差是這三個誤差源的總和。

6. 驅(qū)動容性負載

純?nèi)菪载撦d會與AD8137的鍵合線和引腳電感相互作用，導致瞬態(tài)響應中的高頻振鈴和相位裕度損失?？梢栽诿總€輸出端串聯(lián)一個小電阻來緩沖負載電容，電阻值應盡可能小。

7. 布局考慮

設計時應遵循標準的高速PCB布局實踐，推薦使用實心接地平面，并在電源引腳附近放置良好的寬帶電源去耦網(wǎng)絡。為了最小化求和節(jié)點的雜散電容，應去除連接到求和節(jié)點的所有走線和焊盤下方各層的銅。如果無法避免雜散電容，可以通過在反饋電阻兩端放置小電容來補償其影響。

8. 單端輸入端接

在高速信號應用中，需要對單端輸入進行適當?shù)亩私?。AD8137輸入電路的輸入電阻與端接電阻并聯(lián)，其負載效應需要考慮。在50Ω環(huán)境中，通過合理選擇端接電阻和反饋電阻，可以實現(xiàn)匹配的反饋回路。

9. 掉電功能

AD8137具有(PD)引腳，通過將其置為低電平可以最小化器件不使用時的靜態(tài)電流。(PD)引腳具有內(nèi)部上拉網(wǎng)絡，可使放大器正常工作，無需外部上拉電阻。但在±5V應用中，不要將(PD)引腳直接連接到(V_{s})，以免導致放大器消耗過多的電源電流并可能引發(fā)振蕩和穩(wěn)定性問題。

五、驅(qū)動高分辨率ADC的性能測試

為了評估AD8137在大于12位線性度系統(tǒng)中的性能，使用AD7687 16位、250KSPS ADC進行測試。將AD8137設置為增益為2，通過20kHz帶通濾波器單端驅(qū)動，輸出差分連接到AD7687的輸入。

在不同的電源設置下，測試了AD8137的性能。當AD7687輸入范圍達到 - 1.82dBFS時，AD8137使用單5V電源；當輸入范圍增加到 - 0.45dBFS時，AD8137的電源增加到+6V和 - 1V。測試結果表明，AD8137在這些條件下能夠滿足高分辨率ADC的驅(qū)動需求。

六、結語

AD8137作為一款優(yōu)秀的差分ADC驅(qū)動器，憑借其低功耗、高速、高精度等特性，適用于多種應用場景，如汽車視覺和安全系統(tǒng)、汽車信息娛樂系統(tǒng)、便攜式儀器等。在設計過程中，工程師需要根據(jù)具體的應用需求，合理選擇參數(shù)和布局，以充分發(fā)揮AD8137的性能優(yōu)勢。你在使用AD8137的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。