AD8138 差分放大器概述

AD8138是一款高性能、低功耗、全差分放大器，專為驅(qū)動高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）而設(shè)計。它能夠?qū)味诵盘柣虿罘中盘栟D(zhuǎn)換為平衡的差分信號，并提供增益。其卓越的性能使其在通信、儀器儀表、醫(yī)療成像等眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。理解其差分輸入和共模輸入特性對于正確使用和優(yōu)化其性能至關(guān)重要。

差分輸入

差分輸入是AD8138的核心工作模式，也是其名稱“全差分放大器”的由來。在這種模式下，放大器關(guān)注的是兩個輸入端子之間的電壓差，而不是它們各自對地的電壓。這種工作方式帶來了諸多優(yōu)勢，特別是在高速和噪聲敏感的應(yīng)用中。

差分信號的定義與優(yōu)勢

差分信號由一對幅度相等、相位相反的信號組成。例如，一個差分信號對可以表示為 VIN+ 和 VIN?, 差分輸入電壓 VID 定義為 VID=VIN+?VIN?.

使用差分信號進(jìn)行傳輸和放大具有顯著的抗噪聲能力。當(dāng)外部噪聲（如電磁干擾EMI）耦合到信號線上時，由于兩根線通常距離很近，噪聲會以共模形式（即對兩根線的影響幾乎相同）耦合進(jìn)來。在差分放大器中，由于放大的是兩個輸入信號的差值，這些共模噪聲會被有效地抑制或消除。這種共模抑制能力是差分放大器區(qū)別于傳統(tǒng)單端放大器的關(guān)鍵特性。

此外，差分信號可以有效減少偶次諧波失真。在單端系統(tǒng)中，信號和地之間存在不對稱性，這容易引入偶次諧波。而在差分系統(tǒng)中，信號的對稱性可以自然地抵消偶次諧波，從而提高信號的線性度，特別是在驅(qū)動高速ADC時，這對于實現(xiàn)高信噪比（SNR）和無雜散動態(tài)范圍（SFDR）至關(guān)重要。

AD8138的差分輸入結(jié)構(gòu)

AD8138的差分輸入由兩個引腳組成：IN+ 和 IN-。這兩個引腳構(gòu)成了放大器的差分輸入對。當(dāng)輸入信號施加在這兩個引腳之間時，AD8138會對這個差分電壓進(jìn)行放大，并在其差分輸出端 OUT+ 和 OUT- 產(chǎn)生一個放大的差分電壓。

AD8138內(nèi)部采用獨特的架構(gòu)，包括一個高阻抗的差分輸入級，這意味著它對輸入信號源的負(fù)載非常小，可以有效地減少信號源的失真。此外，它的差分輸入級經(jīng)過精心設(shè)計，以確保在寬頻率范圍內(nèi)都具有高共模抑制比（CMRR）。

共模輸入

除了差分輸入，共模輸入也是理解AD8138工作原理的關(guān)鍵部分。雖然AD8138放大的是差分信號，但它的輸入端也存在共模電壓，即兩個輸入端對地的平均電壓。

共模電壓的定義

共模輸入電壓 VICM 定義為兩個輸入電壓的平均值：VICM=2VIN++VIN?.

共模電壓本身不包含有用的信號信息，但在實際電路中，它扮演著至關(guān)重要的角色，并受到AD8138內(nèi)部電路的嚴(yán)格限制。

共模輸入范圍

每個放大器都有一個特定的共模輸入電壓范圍，這是確保放大器正常工作所必需的。如果共模電壓超出此范圍，放大器的輸入級可能會飽和，導(dǎo)致信號失真，甚至可能損壞器件。對于AD8138，其數(shù)據(jù)手冊明確規(guī)定了在不同電源電壓下的共模輸入電壓范圍。

例如，在 ±5V 的電源電壓下，AD8138的共模輸入范圍通常為 +0.5V 到 ?0.5V 之間。這意味著無論輸入差分信號如何變化，其共模電壓都必須保持在這個范圍內(nèi)。在實際應(yīng)用中，設(shè)計者必須確保輸入信號的偏置電壓能夠滿足這個要求。

AD8138的共模抑制

AD8138作為一款全差分放大器，其一個重要指標(biāo)就是共模抑制比（CMRR）。CMRR定義為差分增益與共模增益的比值。一個高的CMRR意味著放大器能有效地抑制共模信號，只放大所需的差分信號。理想情況下，共模增益為零，即CMRR為無窮大。

在高速和高頻應(yīng)用中，保持高CMRR尤為重要。因為在高頻下，由于寄生電容和電路板布局的不對稱性，共模信號更容易轉(zhuǎn)換為差模信號，從而在輸出端產(chǎn)生不想要的失真。AD8138的內(nèi)部架構(gòu)經(jīng)過優(yōu)化，旨在在寬頻率范圍內(nèi)保持高CMRR，從而確保即使在高速下也能提供卓越的性能。

AD8138差分輸入與共模輸入的協(xié)同工作

理解AD8138的工作原理，需要將差分輸入和共模輸入視為一個整體。輸入信號可以被分解為兩部分：差分分量和共模分量。

假設(shè)輸入信號為 VIN+ 和 VIN?, 我們可以將它們表示為：VIN+=VICM+2VIDVIN?=VICM?2VID

AD8138的工作任務(wù)就是放大 VID, 并抑制 VICM.

輸入信號的共模電平設(shè)置

在實際電路中，特別是將單端信號轉(zhuǎn)換為差分信號時，如何設(shè)置輸入信號的共模電平是一個關(guān)鍵的設(shè)計步驟。

例如，一個單端輸入信號 VIN 施加到 IN+ 引腳，IN- 引腳接地。此時，共模電壓為 VICM=2VIN. 如果 VIN 的幅度較大，共模電壓可能超出AD8138的共模輸入范圍。

為了解決這個問題，通常會使用外部電阻網(wǎng)絡(luò)來對輸入信號進(jìn)行偏置。例如，通過在輸入端加入電阻分壓器，可以將輸入信號的共模電平調(diào)整到AD8138的最佳工作點，通常是電源中點或特定的偏置電壓。

此外，AD8138的內(nèi)部共模反饋環(huán)路也起著至關(guān)重要的作用。這個反饋環(huán)路監(jiān)控輸出端的共模電壓，并自動調(diào)整內(nèi)部電路以保持輸出共模電壓穩(wěn)定在設(shè)定的電平上。雖然這個反饋環(huán)路主要控制輸出共模，但它對輸入共模電壓的要求也間接影響。正確地設(shè)置輸入共模電壓可以確保內(nèi)部反饋環(huán)路正常工作，并優(yōu)化整個放大器的性能。

差分輸入與共模輸入對性能的影響

• 線性度與失真：當(dāng)輸入共模電壓接近其工作范圍的極限時，AD8138的線性度會下降，導(dǎo)致諧波失真增加。因此，將共模電壓保持在推薦的中間范圍內(nèi)，是實現(xiàn)低失真的關(guān)鍵。

• 噪聲性能：共模電壓的波動也會影響噪聲性能。一個穩(wěn)定的共模電壓有助于降低輸入級的噪聲，從而提高信噪比。

• 頻率響應(yīng)：在某些情況下，高頻下的共模信號可能會由于器件和電路板的寄生效應(yīng)，轉(zhuǎn)換為差模信號，從而影響高頻響應(yīng)和穩(wěn)定性。因此，良好的PCB布局，特別是確保差分走線的對稱性，對于維持高頻性能至關(guān)重要。

AD8138輸入應(yīng)用電路設(shè)計考慮

理解了差分輸入和共模輸入的基本概念后，我們來探討一些實際應(yīng)用中的設(shè)計考量。

單端轉(zhuǎn)差分電路

這是AD8138最常見的應(yīng)用之一。在這種模式下，一個單端信號被輸入到AD8138，并通過放大器轉(zhuǎn)換為一對差分輸出信號。

典型的電路配置包括：

1. 直流耦合：當(dāng)輸入信號的直流分量符合AD8138的共模輸入范圍時，可以直接將單端信號輸入到IN+引腳，并通過一個電阻網(wǎng)絡(luò)設(shè)置IN-引腳的共模偏置。

2. 交流耦合：當(dāng)輸入信號的直流分量不符合要求，或信號為交流信號時，可以使用隔直電容（AC coupling capacitor）來隔離直流分量，并通過偏置電阻網(wǎng)絡(luò)將輸入端的共模電平設(shè)置到合適的電壓。

在單端轉(zhuǎn)差分電路中，需要特別注意確保IN+和IN-兩個輸入端的阻抗匹配。不匹配的輸入阻抗會導(dǎo)致信號在兩個引腳上的衰減不同，從而降低共模抑制比。

差分輸入電路

當(dāng)輸入信號本身就是差分信號時，可以直接將它們連接到AD8138的IN+和IN-引腳。

在這種情況下，設(shè)計者需要注意以下幾點：

1. 共模電壓：確保差分輸入信號的共模電壓在AD8138的允許范圍內(nèi)。如果不在，需要使用電平轉(zhuǎn)換或偏置網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)整。

2. 阻抗匹配：為了最大化信號傳輸效率和減少反射，需要確保輸入信號源的阻抗與AD8138的輸入阻抗以及傳輸線的特性阻抗相匹配。

3. 共模電感/共模扼流圈：在一些高頻應(yīng)用中，為了進(jìn)一步抑制共模噪聲，可以在差分輸入線上串聯(lián)共模扼流圈。

輸入保護(hù)電路

盡管AD8138內(nèi)部具備一定的保護(hù)機(jī)制，但在某些嚴(yán)苛的環(huán)境中，例如可能會有大瞬態(tài)電壓或靜電放電（ESD）的環(huán)境，外部保護(hù)電路是必要的。

這可能包括在輸入端并聯(lián)小信號肖特基二極管或瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）。這些器件可以在過壓發(fā)生時將電壓鉗位在安全范圍內(nèi)，從而保護(hù)AD8138的輸入級。

AD8138的差分輸入和共模輸入是其高性能放大能力的基礎(chǔ)。差分輸入保證了其對有用信號的放大，同時提供了優(yōu)異的抗噪聲和抗失真能力。共模輸入則規(guī)定了其正常工作的電壓環(huán)境，而其高共模抑制比（CMRR）則確保了對無用共模信號的有效抑制。

在設(shè)計使用AD8138的電路時，設(shè)計師必須全面考慮這兩個方面：

• 差分輸入：關(guān)注輸入信號的差值，以及如何最大化差分增益和線性度。

• 共模輸入：確保輸入信號的共模電壓始終保持在AD8138的安全工作范圍內(nèi)，并通過適當(dāng)?shù)钠煤筒季謥韮?yōu)化共模抑制比。

通過深入理解和正確應(yīng)用這些概念，可以充分發(fā)揮AD8138的潛力，構(gòu)建出高性能、低噪聲、低失真的模擬前端電路，以滿足當(dāng)今高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和信號處理的苛刻要求。

AD8138差分輸入與共模輸入的深入探討

差分輸入阻抗與共模輸入阻抗

在深入理解AD8138的輸入特性時，區(qū)分其差分輸入阻抗和共模輸入阻抗非常重要。

• 差分輸入阻抗 (ZID)：這是在兩個輸入引腳 IN+ 和 IN- 之間測得的阻抗。理想的差分放大器，其差分輸入阻抗應(yīng)該非常高，以避免對信號源造成過大負(fù)載。AD8138的差分輸入級設(shè)計為高阻抗，這使得它可以有效地從各種信號源（包括高阻抗源）獲取信號。高差分輸入阻抗確保了輸入電流極小，從而最大程度地減少了信號源的加載效應(yīng)，維持了信號的原始完整性。

• 共模輸入阻抗 (ZICM)：這是從輸入引腳（例如IN+和IN-并聯(lián)）到地的阻抗。對于理想的全差分放大器，共模輸入阻抗也應(yīng)該很高。這有助于防止共模噪聲通過輸入端泄漏到地，從而保持高共模抑制比。AD8138的共模輸入阻抗同樣很高，有助于維持其出色的抗共模噪聲能力。

在實際應(yīng)用中，特別是在高頻下，這些阻抗會受到寄生電容和電感的影響。良好的PCB布局，如短而對稱的差分走線，有助于最小化這些寄生效應(yīng)，從而在整個工作頻段內(nèi)保持高輸入阻抗和優(yōu)異的性能。

輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流

除了理想的差分輸入和共模輸入特性外，實際的放大器還會存在非理想因素，例如輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流。

• 輸入失調(diào)電壓 (VOS)：這是為了使輸出差分電壓為零，需要在輸入端施加的差分電壓。它反映了放大器內(nèi)部輸入級的微小不匹配。對于AD8138，其輸入失調(diào)電壓通常很低，這使得它在需要高精度的應(yīng)用中非常有用。然而，在某些要求極高精度的直流耦合應(yīng)用中，可能需要使用外部失調(diào)調(diào)節(jié)電路來補(bǔ)償這一誤差。

• 輸入失調(diào)電流 (IOS)：這是流經(jīng)兩個輸入引腳的偏置電流之間的差異。同樣，它反映了內(nèi)部電路的不匹配。AD8138的輸入失調(diào)電流通常也很小，但當(dāng)輸入端使用大電阻進(jìn)行偏置時，這個小電流會在電阻上產(chǎn)生一個電壓降，從而導(dǎo)致額外的失調(diào)電壓。因此，在設(shè)計偏置網(wǎng)絡(luò)時，應(yīng)盡量使用電阻值較小的電阻，或者使用對稱的電阻網(wǎng)絡(luò)，以抵消輸入失調(diào)電流的影響。

動態(tài)范圍與輸入裕量

理解差分輸入和共模輸入對于評估AD8138的動態(tài)范圍和輸入裕量至關(guān)重要。

• 動態(tài)范圍：指放大器能夠處理的信號幅度范圍，從最小可檢測信號到最大不失真信號。它受到多個因素的限制，包括噪聲地板和電源電壓。在差分放大器中，動態(tài)范圍尤其與電源電壓和輸出共模電壓設(shè)置有關(guān)。

• 輸入裕量 (Headroom)：指輸入信號可以達(dá)到的最大和最小電壓，同時仍能保持正常工作。對于AD8138，其輸入裕量受限于其共模輸入范圍。例如，在 ±5V 的電源下，如果共模輸入范圍是 ±0.5V，那么輸入信號的峰值和谷值必須在這個范圍內(nèi)。如果輸入信號峰值超過這個范圍，放大器將進(jìn)入非線性區(qū)域，導(dǎo)致失真。因此，在設(shè)計中，需要確保輸入信號的峰值和谷值，以及其共模電平，都位于AD8138的輸入共模范圍之內(nèi)。

共模反饋環(huán)路（CMRF）

AD8138的內(nèi)部共模反饋環(huán)路是一個關(guān)鍵特性，它使得該器件能夠保持穩(wěn)定的輸出共模電壓，而這又間接影響了輸入共模電壓的容忍度。

• 工作原理：AD8138的內(nèi)部電路持續(xù)監(jiān)測其差分輸出端 OUT+ 和 OUT- 的共模電壓。當(dāng)輸出共模電壓偏離其設(shè)定值時，反饋環(huán)路會產(chǎn)生一個校正信號，作用于內(nèi)部放大級，從而將輸出共模電壓拉回到預(yù)設(shè)電平。這個設(shè)定電平通常是通過一個引腳（例如 VOCM 引腳）來外部設(shè)定的。

• 對輸入的影響：雖然共模反饋環(huán)路直接作用于輸出端，但它的存在意味著AD8138能夠容忍一定范圍的輸入共模電壓變化，因為它可以自動調(diào)整內(nèi)部偏置來保持輸出共模穩(wěn)定。然而，這并不意味著輸入共模電壓可以任意變化。如前所述，輸入共模電壓仍然必須保持在其規(guī)定的輸入共模范圍之內(nèi)，否則輸入級會飽和，導(dǎo)致共模反饋環(huán)路失效。

AD8138在不同應(yīng)用中的輸入特性應(yīng)用實例

高頻ADC驅(qū)動器

在驅(qū)動高速、高分辨率ADC時，AD8138的差分輸入和共模輸入特性發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。

• 輸入信號：通常，高速ADC需要一個寬帶寬、低失真的差分輸入信號。AD8138可以接收來自濾波器、混頻器或變壓器的單端或差分信號，并將其轉(zhuǎn)換為ADC所需的差分信號。

• 共模匹配：ADC通常要求其差分輸入信號的共模電平處于一個特定的電壓，例如電源中點。AD8138的共模反饋環(huán)路和外部VOCM引腳使得設(shè)計師能夠精確地將輸出共模電壓設(shè)置為ADC所需的電平，從而簡化了整個模擬前端的設(shè)計。

• 阻抗匹配：為了在高頻下實現(xiàn)最佳性能，AD8138的輸入端通常需要與前一級電路進(jìn)行阻抗匹配。這可能涉及到使用匹配電阻網(wǎng)絡(luò)或變壓器，以確保信號傳輸?shù)耐暾浴?/span>

線路驅(qū)動器與接收器

在長距離差分信號傳輸中，如平衡音頻線或高速數(shù)據(jù)線，AD8138可以用作線路驅(qū)動器或接收器。

• 線路驅(qū)動器：當(dāng)AD8138用作驅(qū)動器時，它可以將單端信號轉(zhuǎn)換為差分信號，并以高驅(qū)動能力將信號發(fā)送到長距離線纜。差分信號的抗噪聲能力使其在嘈雜的環(huán)境中表現(xiàn)出色。

• 線路接收器：當(dāng)AD8138用作接收器時，它可以接收長距離傳輸過來的差分信號。此時，線纜上可能已經(jīng)耦合了大量的共模噪聲。AD8138的高共模抑制比（CMRR）能夠有效地濾除這些共模噪聲，只提取出所需的差分信號，從而保證信號的完整性。

在這種應(yīng)用中，輸入端的共模電壓通常會受到傳輸線上的偏置和噪聲的影響。AD8138的寬共模輸入范圍使其能夠容忍這些變化，從而確?？煽康男盘柦邮铡?/span>

增益控制

AD8138的增益由外部反饋電阻決定，其差分輸入特性使其能夠?qū)崿F(xiàn)精確的增益控制。

• 增益計算：對于全差分放大器，增益通常由反饋電阻 RF 和增益電阻 RG 的比值決定。例如，增益 AVD=RGRF.

• 輸入共模對增益的影響：增益電阻 RG 會直接連接到AD8138的輸入端。雖然增益主要取決于電阻比，但輸入共模電壓的設(shè)置會影響流經(jīng)這些電阻的直流偏置電流。因此，在直流耦合應(yīng)用中，需要仔細(xì)選擇電阻值，以確保輸入共模電壓不會因電阻上的電壓降而超出范圍。

總結(jié)與展望

AD8138作為一款高性能全差分放大器，其差分輸入和共模輸入特性是理解其工作原理和應(yīng)用的關(guān)鍵。

• 差分輸入是其處理信號的核心機(jī)制，提供了卓越的抗噪聲、抗失真能力。其高輸入阻抗保證了對信號源的最小加載。

• 共模輸入是其正常工作的必要條件，其工作范圍限制了輸入信號的偏置。AD8138的高共模抑制比確保了對共模噪聲的有效濾除。

在設(shè)計電路時，設(shè)計師必須綜合考慮這兩個方面：確保輸入信號的差分分量得到正確放大，同時保證其共模分量始終位于AD8138的安全工作范圍之內(nèi)。通過精確的偏置、良好的布局和適當(dāng)?shù)耐獠侩娐?，可以充分發(fā)揮AD8138的潛力，實現(xiàn)卓越的性能。

隨著高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和信號處理技術(shù)的發(fā)展，對高性能全差分放大器的需求將持續(xù)增長。AD8138及其后續(xù)產(chǎn)品將繼續(xù)在這些領(lǐng)域扮演關(guān)鍵角色，而對其差分和共模輸入特性的深入理解，將是工程師們成功設(shè)計和優(yōu)化高性能系統(tǒng)的基石。