全差分放大器产品常见问题解答(ADI)

差分放大器AD813x常见问

题解答

编写人 版本号

CAST (M) 2.0

2007-8-14

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目 录

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ADI差分放大器AD813x产品简介..........................................................................................1 1.1 产品列表...................................................................................................................1 1.2 差分信号的特点.......................................................................................................1 1.3 AD813x差分放大器特点.........................................................................................2 1.4 参考资料...................................................................................................................3 常见问题解答...........................................................................................................................3 2.1 如何计算差分放大器电路的增益，如何分析差分放大器电路？.......................3 2.2 为什么电路的输出不正确？...................................................................................3 2.3 单端输入时的端接问题...........................................................................................9

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1.1 产品列表

AD813x差分放大器常见问题解答

1 ADI差分放大器AD813x产品简介

图1是AD813x差分放大器产品及其相关性能的选型表格。

Quiescent Current-3dB BW Slew Rate Settling Time (2V)Voltage Noise Current Noise Distortion Freq = 5MHz RL = 800Ω Input CM Range Output Current Output Swing Single-ended

AD8138 20 mA 310 MHz 950 V/uS 16nS (.01%)5 nV/rtHz 2 pA/rtHz 2nd -90 dBc3rd -100 dBc.3 to 3.2 V 95 mA 2.9 Vp-p RL = 500Ω

AD8132 10.7 mA 360 MHz 1000 V/uS 20 nS (.1%)8 nV/rtHz 1.8 pA/rtHz2nd -100 dBc3rd -99 dBc.35 to 3 V 50 mA 3.0 Vp-p RL = 500Ω

AD8139 21.5 mA 385 MHz 540 V/uS 55 nS (.01%)2.25 nV/rtHz2.1 pA/rtHzSFDR 87 dB

AD8137 2.6 mA

75 MHz 375 V/uS 110nS (.02%)8.25 nV/rtHz1 pA/rtHz SFDR 89 dB(500 kHz) 1 to 4 V 20 mA 4.0 Vp-p RL = 1KΩ

1 to 4 V 80 mA 4.6 Vp-p RL = 10KΩ

*以上所有指标是单电源5V供电的条件下测得的。

1.2 差分信号的特点

S+

OUT,

VOCM

图2 差分信号

VS-

1． 差分信号是一对幅度相同，相位相反的信号。差分信号会以一个共模信号Vocm为

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AD813x差分放大器常见问题解答

中心，如图2所示。差分信号包含差模信号和共模信号两个部分，差模与共模的定义分别为Vdiff＝(Vout+ － Vout-)/2，Vocm=(Vout+ ＋ Vout-)/2。

2． 差分信号的摆幅是单端信号的两倍。如图2所示，绿色表示的是单端信号的摆幅，

而蓝色的表示的差分信号的摆幅。这样，在同样电源电压供电的条件下，使用差分信号增大了系统的动态范围，适于单电源低电压供电系统的应用。 3． 差分信号可以抑制共模噪声，提高系统的信噪比。

4． 差分信号可以抑制偶次谐波，提高系统的总谐波失真性能。

1.3 AD813x差分放大器特点

OUT+

OUT-

图3 差分放大器典型电路形式

1． AD813x差分放大器可以是差分输入，也可以是单端输入。这样可以实现单端信号

到差分信号的转换和放大。

2． AD813x差分信号的平衡度非常高。平衡度指的是这对差分信号在幅度上的一致性，

以及相位差180度的准确度。对于作为线缆驱动器来说，平衡度至关重要，它决定了线缆传输过程中的EMI特性。

3． AD813x输出差分信号的平衡度由本身特性决定，而不依赖于两个反馈网络的

RF/RG的匹配度，所以即使反馈网络的电阻不匹配，也不会影响输出的平衡度。 4． AD813x输出差分信号的共模电平可以由输入管脚Vocm简单设置。这对于驱动单

电源差分输入的ADC来说非常简便，可以把差分信号的电平设置在ADC要求的输入范围内。 5． 差分输入阻抗为Rin = 2*Rg，单端输入阻抗为Rin =

Rg

Rf

1−

2(Rg+Rf)

6． 信号增益可以小于1并保持电路稳定。

7． 差分放大器可以用在ADC的前端驱动，有源差分滤波器，长距离双绞线传输的驱

动，如KVM应用。

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1.4 参考资料

AD813x差分放大器常见问题解答

AN-584: Using the AD813X Differential Amplifier (pdf, 178,358 bytes)

The AD813x differs from conventional op amps by the external presence of an additional input and output. The additional input, VOGM, controls the output common mode voltage.

Maximize Performance When Driving Differential ADCs

... Converting a single-ended signal to a differential signal before the analog-to-digital conversion can improve the performance of your data-acquisition system. By Sally Paterson, Analog Devices (EDN, 6/12/2003) SPICE MODEL

2 常见问题解答

2.1 如何计算差分放大器电路的增益，如何分析差分放大器电路？

V

OUT–

VOCM

VOUT+

OUT+ – VOUT–

VOCM

V+=V–

OCM

GAIN=

VIN+ – VIN–

=

RFRG

图4 差分放大器电路分析图

如图4所示，差分放大电路分析的基本原则与普通运算放大器中虚断虚短原则相同，同时还具有其特有的分析原则：

1． 同向反向输入端的电流为零，即虚断原则。 2． 同向反相输入端的电压相同，即虚短原则。

3． 输出的差分信号幅度相同，相位相差180度，以Vocm共模电压为中心对称。 4． 依照上述三个原则，差分信号的增益为 Gain＝RF/RG。

2.2 为什么电路的输出不正确？

对于差分放大器的应用来讲，要得到正确的输出，必须要注意以下几点：

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1． 输出信号的摆幅必须在数据手册指定的范围内。以AD8137为例，在单电源5V的情况

下，Vout-与Vout+都必须在450mV～4.55V之内（见下表表2）。

2． 输入端信号的范围必须在数据手册指定的范围之内。以AD8137为例，在单电源5V的

情况下，+IN与-IN的电压必须在1～4V之内。（见下表表2）

表数据手册单电源5V供电的芯片指标

在你的电路中，一定要先进行分析计算，检查输出端电压和输入端共模信号的范围是否在数据手册指定范围之内（请注意电源电压的条件）。对于单电源供电的情况，更容易出现问题。 下面我们以AD8137举例说明怎样判断电路是否能够正常工作？

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图5，AD8137双电源供电放大电路

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如图5，这是AD8137在+/-5V电源供电情况下的一个放大电路。输入是一个8Vpp的信号。 按照虚短、虚断的原则，根据2.1的分析，差分信号增益是1，即，差分输出每一端的摆幅都是+/-2V，但相位相差180度。由于Vocm加入了2.5V的共模电压，因此得到Voutp和Voutn的电压为2.5V+/-2.0 V和2.5V-/+2.0V，即0.5V～4.5V的范围内。这个信号范围符合数据手册+/-5V电源供电情况下的指标（－4.55V~+4.55V）。

然后我们计算输入端的共模电压，按照虚短、虚断的原则，Vinn的电压是Voutp在两个1K ohm电阻上面的中点分压，即得到如图红色所示的共模电压为Vinn=1.25V+/-1.0V，即0.25V~2.25V，这也符合+/-5V供电下数据手册对输入共模电压的要求（－4V～＋4V）。所以此电路满足要求，会正确工作。图5是各点的波形。

Voutp2.5V

GND

Vinn

图5 AD8137双电源供电电路各点波形

但是，如果上面的电路改为单电源5V供电，电路就会有问题。如图6所示，

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AD813x差分放大器常见问题解答

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图6 AD8137单电源供电电路

所有的分析都同双电源供电相同，我们会发现输出电压的范围0.5V～4.5V符合数据手册在单电源＋5V供电情况下的指标450mV～4.55V，但是输入端共模电压的范围0.25V~2.25V却超出了数据手册的要求（1～4V）。所以，在这种情况下，得到的输出如图7，信号已经发生失真。

Voutp

2.5V

GND

Vinn

图7 AD8137单电源供电情况下错误的输出

在这种情况下，可以试着调节Vocm端的值（请注意，Vocm端加入的电压范围也有要求，

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请参见数据手册），或者改变电路增益，或者减小输入信号的幅值，使输入端和输出端的范围都满足要求。

前面的情况是输入信号中不含直流共模成分，当输入信号含有直流偏置时，也要注意输入端和输出端的电压范围。下面是一个例子。

1KVinn = 1.5 +/-1.0

图8 AD8137 输入信号偏置在1V DC的电路

如图8所示，此图的区别在于输入信号有一个1V的直流偏置。这样我们以同样的方法分析电路，这个1V的输入会在两个输出端各加入0.5V的直流正负偏置。得到如图所示的输入端的电压和输出端的电压值，我们看到此时Voutp端的电压1V～5V已经超出了规定的－4.55V~+4.55V范围。所以得到的结果如图9所示

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Voutp

2.5V

GND

Vinn

图9 AD8137输入加入1V DC偏置的错误结果 解决的方法是可以使用交流耦合，如图10

图10 使用交流耦合的AD8137放大电路

这样，输入端和输出端的范围都正确了。结果如图11所示

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Voutp2.5V

GND

Vinn

图11 采用交流耦合后正确的结果

所以在使用AD813x时，一定要先计算各点的电压，然后与数据手册上相同供电电源电压条件下的指标相比较，确定电路是否工作正常。另外一个电路检查的方法是使用ADI网站上提供的SPICE模型进行仿真，这样更加直观。同时ADI网站上还提供了在线的AD813X差分放大器辅助计算工具，可以帮你检查电路的正确性。这个工具的链接是

。

2.3 单端输入时的端接问题

图12

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在高速应用中，有必要对差分放大器进行端接。如图12所示，信号源阻抗为50Ω，峰峰值为2V，我们希望输出为1V。根据单端输入时输入阻抗计算公式，差分电路的输入阻抗实际是267Ω。因此，我们要用267Ω负载匹配50Ω的信号源，计算可知，需要对地接61.9Ω的电阻，如图13所示。

图13

图13中，将虚线框中的电路做戴维南等效，如图中绿色电路。可以看出，源电压是1.1V而不是1V，同时，28Ω电阻与200Ω电阻串联，这增加了RG，即降低了增益。

图14

图14中，为使两个反馈环匹配，在反向端增加28 Ω的电阻，以保持反馈比相同。同时，为了得到1V的电压输出，将两个反馈电阻改为205Ω。

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