設(shè)計(jì)目標(biāo)

設(shè)計(jì)說明

這款航天級(jí)電路設(shè)計(jì)展示了一個(gè)單端轉(zhuǎn)差分 (SE-to-Diff) ADC 驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器使用 LMH5485-SEP 和一個(gè)共模電壓為 0.95V、輸入范圍為 3.2Vpp 的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)。LMH5485-SEP 是一款航天級(jí)、低功耗、高速全差分放大器，主要用于驅(qū)動(dòng)高性能 ADC。高性能 ADC 是低噪聲、超低功耗、高速、雙通道器件，用于多種航天應(yīng)用，其中包括：成像、光譜分析、雷達(dá)、控制環(huán)路、儀表等。由于 ADC 接受差分信號(hào)，因此在設(shè)計(jì)電路時(shí)，相較于使用兩個(gè)運(yùn)算放大器，全差分放大器 (FDA) 是一個(gè)更好的選擇。除了提供平衡的輸出信號(hào)外，F(xiàn)DA 還具有其他出色優(yōu)勢(shì)。其中一些優(yōu)勢(shì)包括：

下圖顯示了完整的電路設(shè)計(jì)。

上圖中所示的電路從具有 50? 源電阻的單端交流電源開始。此電源為 LMH5485 全運(yùn)算放大器供電。根據(jù)反饋電阻器的值，放大器的增益為 3.2。然后，F(xiàn)DA 的輸出進(jìn)入截止頻率為 4MHz 的三階無源巴特沃斯低通濾波器，接著進(jìn)入 ADC 的輸入端。

設(shè)計(jì)步驟

1. 需要兩個(gè)電源來為 FDA、VCC 和 VEE 供電。VCC 設(shè)置為 5V，而 VEE 設(shè)置為 -300mV。此 FDA 需要在輸入軌上有 0.2V 至 0.3V 的余量，因此 VEE 設(shè)置為 -300mV。
2. 確定放大器的源電阻、增益和輸入信號(hào)。對(duì)于此設(shè)計(jì)，期望的源電阻為 50?、增益為 3.2、輸入信號(hào)為 2Vpp。仿真結(jié)果表明，當(dāng)沒有端接電阻器時(shí)，50? 源電阻將輸入電壓一分為二；因此，電源電壓為 2Vpp。實(shí)際上，在連接 50? 源電阻之后電壓是 1Vpp。為了實(shí)現(xiàn)阻抗匹配電路，Rg1 可以與源電阻器匹配，因此 Rg1 為 50?。
3. 使用接下來的三個(gè)公式計(jì)算 Rg2：
   $Rg2=(Rt//Rs)+Rg1$
   $Rg2=\left({\left(\frac{1}{Rt}+\frac{1}{Rs}\right)}^{-1}\right)+Rg1$

   由于未使用端接電阻器 (Rt)，將 Rt 視為無窮大；因此，1/Rt 可以抵消掉。

   $Rg2= {\left(\frac{1}{Rs}\right)}^{-1}+Rg1 = {\left(\frac{1}{50 \mathrm{?}}\right)}^{-1}+50 \mathrm{?}=100\mathrm{ }\mathrm{?}$

   如公式所示，Rg2 始終是 Rg1 電阻器值的兩倍。

4. 根據(jù)計(jì)算出的值，可以確定反饋電阻器 (Rf) 的值。
   $Rg1=\frac{2\frac{Rf}{\mathrm{A)}v}-Rs}{1+\frac{Rs}{Rt}}$

   如設(shè)計(jì)步驟 4 中所示，由于未使用端接電阻器 (Rt)，因此這個(gè)分?jǐn)?shù)的分母等于 1?？梢灾匦屡帕羞@個(gè)方程式來求解 Rf。更新后的公式如下：

   $Rf=\frac{G\times (Rs+Rg1)}{2}= \frac{3.2\times (50+50)}{2}=160 \mathrm{?}$
5. 設(shè)計(jì)完 FDA 級(jí)之后，創(chuàng)建三階無源巴特沃斯低通濾波器 (LPF)。截止頻率為 2MHz；不過，在 4MHz 下計(jì)算 LPF，確保 2MHz 信號(hào)保持高于 -3dB。以下公式用于計(jì)算 LPF 的元件值：
   $fc=\frac{1}{2\pi \sqrt{L\times C1\times C2}}$

   將所有元件放在一起后，4MHz 三階無源巴特沃斯低通濾波器 展示了完整的濾波器。由于此設(shè)計(jì)是差分設(shè)計(jì)，因此兩個(gè)輸出軌上都可以有電阻器和電感器。因此，每個(gè)輸出軌的電阻器和電感器的值會(huì)除以二。濾波器的輸入電阻器為 100?。名為“ADC Load”的輸出電阻器是虛擬負(fù)載，表示不屬于濾波器的內(nèi)部 ADC 負(fù)載。

   4MHz 三階無源巴特沃斯低通濾波器

設(shè)計(jì)仿真

V_IN 和 V_OUT 波形

單端 V_IN 與差分 V_OUT 波形 展示了 FDA 的輸入和輸出。黃色是輸入源，紅色是正輸出，綠色是負(fù)輸出。輸入為 2Vpp（在使用源極電阻器之后為 1Vpp），正負(fù)輸出擺幅為 1.6Vpp。將兩個(gè)正負(fù)差分信號(hào)結(jié)合在一起，使輸出擺幅為 3.2Vpp。請(qǐng)注意，輸出的共模電壓為 0.95V。

增益和相位波特圖 展示了二階無源低通濾波器的增益和相位圖。如下圖所示，截止頻率為 4MHz。這樣做是為了使 2MHz 的實(shí)際截止頻率保持在 -3dB 增益以上。

穩(wěn)定性

放大器的相位裕度是放大器增益大于 0dB 時(shí)的相移量。開環(huán)增益降至低于 0dB 或相位裕度降至低于 60 度時(shí)，放大器將被視為不穩(wěn)定。在本例中，開環(huán)增益在 314.84MHz 后降至 0 以下，相位裕度為 63.33 度，如穩(wěn)定性增益和相位波特圖 所示。由于放大器僅在 2MHz 的頻率下工作，這對(duì)于該應(yīng)用來說已經(jīng)足夠。

實(shí)施 FDA 是為 ADC 供電的高效方法。元件數(shù)量減少以及對(duì)外部噪聲和偶次諧波的抗阻增加，這是 FDA 帶來的一些出色優(yōu)勢(shì)。FDA 乍一看可能會(huì)令人生畏，但在深入了解設(shè)計(jì)步驟后，您會(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)過程非常容易掌握。在此設(shè)計(jì)中，F(xiàn)DA 在 0.95V 的共模電壓下輸出期望的 3.2Vpp 輸出。FDA 之后的低通濾波器具有 4MHz 的截止頻率，并且因?yàn)樗侨A濾波器，截止頻率非常尖銳，從而可以去除通過頻率的任何不需要的諧波。

附加資源

• 德州儀器 (TI)，LMH5485-SEP 采用航天級(jí)增強(qiáng)型塑料的抗輻射、850MHz 全差分放大器產(chǎn)品頁面
• 德州儀器 (TI)，LMH5485-SEP 抗輻射、負(fù)軌輸入、軌到軌輸出、850MHz 全差分精密放大器 數(shù)據(jù)表
• 德州儀器 (TI)，全差分放大器的輸入阻抗匹配模擬設(shè)計(jì)期刊
• 德州儀器 (TI)，高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的全差分放大器設(shè)計(jì)模擬設(shè)計(jì)期刊
• 德州儀器 (TI)，全差分放大器應(yīng)用手冊(cè)