全差分放大器的概念及其优势

目前，世界上大多数的高速模数转换器 (ADC)都具有差分输入。这些ADC被广泛的运用于多种终端的应用当中，但不仅仅局限于通信无线基础设施和回传，以及测试与测量示波器和频谱分析仪。为了支持这一输入架构，工程师必须设计与ADC进行差分对接的信号链。

为了获得最佳性能，用户必须在信号链上选择一个balun(平衡不平衡变换器)，虽然这可能会导致某些应用中的耦合问题。然而，耦合问题并不是总是发生，特别是在某些需要DC分量的测试和测量应用中更是如此。全差分放大器 (FDA)是一种多用途的工具，它可以替代balun(或与它一同使用)的同时，并且提供多种优点。与传统的使用单端输出的放大器相比，电路设计人员在使用由FDA实现的全差分信号处理频谱分析仪时，能够增加电路对外部噪声的抗扰度，从而将动态范围加倍，并且减少偶次谐波。

在这篇文章中，我们会回顾一下全差分放大器(FDA)的基本知识，FDA的重要技术规格，以及这些技术规格的含义，并且谈一谈如何使用一个balun类型的FDA，从而实现信号链与额外性能的对接。

FDA是什么?

想象一下，如果你不使用高级器件——FDA集成电路来驱动差分ADC。除了balun，一个解决方案就需要通过两个运算放大器来提供差分信号，其中一个运算放大器提供正(VIN+)输入信号，另外一个提供负(VIN-)输入信号。如果想要在运算放大器 (op amp)外部建立适当增益，你将总共需要使用8个电阻器，这设计起来将会十分复杂。现在，工程师只需要一半数量的电阻器和一个IC，就可以使用一个FDA来提供ADC的单端至差分接口和一个差分至差分接口。同时，这个IC无需balun便可以使得DC分量导通，这一点不同于提供DC隔离的balun。这个的关键点是在许多应用中需DC和低频的出色的频率响应。

那么，FDA到底是什么呢?基本上来说，FDA是具有两个放大器的器件。主差分放大器(从VIN至VOUT)由多个反馈路径和Vocm误差放大器组成，而Vocm误差放大器更多情况下被称为共模输出放大器。

我们先来讨论一下Vocm误差放大器。Vocm放大器在内部采样差分电压(VOUT+和VOUT–)，并且将这个电压与施加到VOCM引脚上的电压相比较。通过一个内部反馈环路，Vocm放大器将Vocm误差放大器的“误差”电压(输入引脚间的电压)驱动为0，这样的话，VOUT_cm(图1)= Vocm。如果VOCM引脚保持在悬空的状态时，通常由一个内部分压器将偏置点的缺省值设定为VCC/2(电源间的中间位置)。(VOCM)引脚上的Vocm设置会影响到总体输出摆幅(稍后讨论)。这些特性不同于具有单端输出的传统运算放大器。在传统运算放大器中，输出共模电压和单端输出实际上是会影响到运算放大器的动态范围的同一信号。

除了Vocm误差放大器，FDA中的主差分放大器具有VOUT+和VOUT—输出和多条反馈路径。在分析这个放大器时，最好将它想象成为包含两条反向的反馈路径。一条路径是一个反向输入到非反向输出，另外一条路径是非反向输入到一个反向输出(图1)。为了使FDA正常运行，两条路径都必须关闭。并且，为了保持平衡，反馈路径也最好保持相等。对于这两个路径的分析是非常复杂的。为了有助于介绍FDA的基本知识和它们在辅助设计中所发挥的作用，本文中对于它们的分析相对简单。想要了解基本FDA输入和输出电压定义，请见图1。

 

 

图1：全差分放大器的典型图

 

 

图2：基本FDA增益配置，差分输入至差分输出

在图2中，我们已经将外部电阻器添加到基本的FDA图中，用来设定增益。正是因为如此，对于内部差分放大器的分析开始变得复杂了。出于简化的目的，我们将β1和β2指定为反馈项。

 

 

 

 

通过这两个方程式，我们来看一看由反馈、VIN+、VIN–和Vocm组成的VOUT(diff) 方程式。

 

 

方程式 (3) 显示的是，在反馈项不相等的情况下，差分输出电压取决于Vocm。从这点我们可以看出，反馈项应该相等，或者尽可能地接近，这一点很重要，这是因为Vocm项会产生偏移和噪声。反馈项应该等于方程式，这个方程式可简化为：

 

 

FDA的优点

本章结合了FDA的基础知识来讨论FDA的优点。由于差分架构的固有属性，FDA还可以帮助提升系统的动态范围。当信号在穿过印刷电路板(PCB)、电缆和接线，以及通过信号与接地路径时，系统噪声会累加，并且会影响到动态范围。

FDA的抗噪性是差分结构的内在属性。它可以在输入上抑制耦合噪声。通常表现为典型运算放大器内的共模电压的电源和输出。根据方程式 (4)，在FDA中实现了平衡，Vocm被消除了，或者是数值太低，无法提供这个优势。由于因为每个部件都有不同的基准点，因此单端组件不能抑制接地噪声。尽管将大量的设计工作被用来将高频接地电流接地，但是，在差分信令提升性能的地方还是会出现问题。在一个典型运算放大器中累积的噪声会降低信噪比(SNR)性能，从而影响系统设计。

除了FDA的共模抑制属性所带来的更大抗扰度，输出之间的相位差使得输出电压摆幅是具有同样电压摆幅的单端输出的两倍(6dB)(图3)。这种情况下，用同样的电源增加了放大器的净空，并且针对同样的信号摆幅，允许使用功率更低的电源，从而使耗散降低。

 

 

图3. FDA内的动态范围增加

FDA和差分信号链的优点在于从根本上消除了偶次谐波。使用幂级数展开，指定一个正弦波输入，并且忽略DC分量，图5显示的是放大器等(FDA)非线性差分器件内的二阶谐波消除。虽然在理想器件中无法实现完全消除，但是这些产品中所采用的平衡设计(在误差范围内)需要优于单端配置(图4)。

 

 

图4. 单端放大器配置

 

 

图5. 全差分放大器配置

FDA的另外一个优势就是提供出色输出均衡的能力，而这一点对于差分ADC的驱动很关键。进入ADC中的信号相位和幅度分量理想匹配，从而实现最佳性能。当幅度和相位其中的一个不均衡，或者二者均不平衡时，会在输出上出现共模分量，从而使SNR的性能下降。为了实现相位平衡，一个理想FDA可以在VOUT+ and VOUT-信号之间提供180°的相位差。由于内部共模反馈电路强制输出共模电压与Vocm上施加的共模电压相等，平衡误差被降到最低。请见显示性能的方程式 (5)，其中给出了平衡误差的计算方法：