超低失真差分 ADC 驱动器 ADA4937-1/ADA4937-2 深度解析

在电子设计领域，高性能的 ADC 驱动器对于确保系统的精度和稳定性至关重要。今天，我们就来深入探讨一下 Analog Devices 公司的超低失真差分 ADC 驱动器 ADA4937-1/ADA4937-2，看看它有哪些独特的特性和应用场景。

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产品概述

ADA4937-1/ADA4937-2 是两款低噪声、超低失真、高速的差分放大器。它们非常适合用于驱动分辨率高达 16 位、频率范围从直流到 100 MHz 的高性能 ADC。通过调整输出共模电压，这两款放大器能够很好地匹配 ADC 的输入要求。而且，其内部的共模反馈环路不仅能提供出色的输出平衡，还能有效抑制偶次谐波失真产物。

关键特性

低谐波失真

这两款放大器在不同频率下都展现出了极低的谐波失真。例如，在 10 MHz 时，HD2 低至 -112 dBc，HD3 低至 -102 dBc；在 70 MHz 时，HD2 为 -84 dBc，HD3 为 -91 dBc；在 100 MHz 时，HD2 为 -77 dBc，HD3 为 -84 dBc。如此低的失真特性，使得它们在对信号质量要求极高的应用中表现卓越。

低输入电压噪声

输入电压噪声仅为 2.2 nV/√Hz，这意味着在处理微弱信号时，能够有效减少噪声干扰，提高信号的清晰度和准确性。

高速性能

• 具有 1.9 GHz 的 -3 dB 带宽（G = 1），能够满足高频信号处理的需求。
• 压摆率高达 6000 V/μs（25% 到 75%），可以快速响应信号的变化。
• 仅需 1 ns 的快速过驱动恢复时间，确保在信号出现过驱动情况后能够迅速恢复正常。

  其他特性

• 典型失调电压仅为 0.5 mV，保证了输出信号的准确性。
• 增益可通过外部进行调整，灵活性高。
• 支持差分转差分或单端转差分操作，适应不同的输入信号类型。
• 输出共模电压可调，方便与不同的 ADC 进行匹配。
• 可在 3.3 V 至 5 V 的单电源下工作，降低了电源设计的复杂度。

应用场景

• ADC 驱动器：为高性能 ADC 提供低失真、低噪声的驱动信号，确保 ADC 能够准确地转换输入信号。
• 单端转差分转换器：将单端输入信号转换为差分输出信号，适用于需要差分信号的系统。
• IF 和基带增益模块：在中频和基带信号处理中，提供必要的增益。
• 差分缓冲器：用于缓冲差分信号，提高信号的驱动能力。
• 线路驱动器：驱动长距离的传输线路，保证信号的质量。

规格参数

不同电源电压下的性能

在 5 V 和 3.3 V 电源电压下，ADA4937-1/ADA4937-2 的各项性能指标有所不同。例如，在 5 V 电源下，-3 dB 小信号带宽为 1900 MHz；而在 3.3 V 电源下，-3 dB 小信号带宽为 1800 MHz。具体的性能参数可以参考数据手册中的详细表格。

绝对最大额定值

• 电源电压：5.5 V
• 存储温度范围：-65°C 至 +125°C
• 工作温度范围：-40°C 至 +105°C
• 引脚温度（焊接，10 秒）：300°C
• 结温：150°C

在设计过程中，必须确保器件的工作条件在这些额定值范围内，以避免对器件造成永久性损坏。

典型性能特性

通过一系列的图表，我们可以直观地了解 ADA4937-1/ADA4937-2 在不同条件下的性能表现。例如，不同增益、不同电源电压、不同温度下的小信号频率响应，以及谐波失真与频率、负载、电源电压等因素的关系。这些特性对于工程师在实际应用中选择合适的工作条件和参数非常有帮助。

引脚配置和功能描述

ADA4937-1 和 ADA4937-2 具有不同的引脚配置。其中，暴露焊盘通常焊接到 PCB 上的接地层或电源层，以实现良好的热传导。每个引脚都有其特定的功能，详细的引脚功能描述可以参考数据手册中的表格。

理论操作和应用电路分析

理论操作

ADA4937-1/ADA4937-2 与传统的运算放大器不同，它们有两个输出，且输出电压的变化方向相反。通过开环增益和负反馈，它们能够将输出电压调整到所需的值。内部的共模反馈环路可以确保输出的平衡和共模信号的抑制。

应用电路分析

• 设置闭环增益：通过一个简单的由四个电阻组成的外部反馈网络，可以轻松实现差分增益配置。
• 估计输出噪声电压：使用噪声模型可以估计输出噪声电压密度。输入参考噪声电压密度、噪声电流等因素都会对输出噪声产生影响。
• 反馈网络失配的影响：即使外部反馈网络存在失配，内部的共模反馈环路仍能保证输出的平衡。但失配会导致 (V_{OCM}) 产生噪声贡献，降低电路对输入共模信号的抑制能力，还可能产生差分模式输出失调电压。
• 计算输入阻抗：输入阻抗取决于放大器是由单端还是差分信号源驱动。对于平衡差分输入信号，输入阻抗为 (2 × Rg)；对于不平衡单端输入信号，输入阻抗的计算则更为复杂。

布局、接地和旁路

作为高速器件，ADA4937-1/ADA4937-2 对 PCB 环境非常敏感。为了实现其卓越的性能，在 PCB 设计时需要注意以下几点：

• 接地平面：确保有一个坚实的接地平面，尽可能覆盖放大器周围的电路板区域。但在反馈电阻、输入增益电阻和输入求和节点附近，应清除所有接地和电源平面，以减少杂散电容，防止高频响应出现峰值。
• 旁路电容：在靠近器件的电源引脚处直接连接到附近的接地平面，并使用高频陶瓷芯片电容进行旁路。建议每个电源使用两个并联的旁路电容（1000 pF 和 0.1 μF），其中 1000 pF 的电容应更靠近器件。此外，还可以使用 10 μF 的钽电容从每个电源到地进行低频旁路。
• 信号布线：信号布线应尽量短而直接，以避免寄生效应。对于互补信号，应提供对称的布局，以最大化平衡性能。在长距离传输差分信号时，应将 PCB 走线靠近并扭曲差分布线，以减少环路面积，降低辐射能量，提高电路的抗干扰能力。

高性能 ADC 驱动应用实例

驱动 AD9445 ADC

ADA4937-1/ADA4937-2 可以很好地驱动 14 位、105 MSPS 的 AD9445 ADC。通过单 5 V 电源和单位增益配置，实现单端输入到差分输出的转换。61.9 Ω 的终端电阻与单端输入阻抗并联，为信号源提供 50 Ω 的终端匹配。放大器的输出通过一个二阶低通滤波器与 ADC 进行交流耦合，以减少噪声带宽并隔离驱动器输出与 ADC 输入。

驱动 AD9246 ADC

在驱动 14 位、125 MSPS 的 AD9246 ADC 时，ADA4937-1/ADA4937-2 采用单 5 V 电源和增益约为 2 V/V 的配置。76.8 Ω 的终端电阻提供 50 Ω 的交流终端匹配。输出通过单极点低通滤波器与 ADC 交流耦合，减少噪声带宽并提供一定的隔离。测试结果显示，在不同频率下，HD2 和 HD3 的谐波失真都非常低。

3.3 V 操作应用

ADA4937-1/ADA4937-2 在 3.3 V 单电源应用中也能提供出色的性能。例如，在驱动 12 位、250 MSPS 的 AD9230 ADC 时，通过配置单 3.3 V 电源和增益为 2 V/V，实现单端输入到差分输出的转换。一个三阶、125 MHz 的低通滤波器可以减少放大器的噪声带宽并隔离驱动器输出与 ADC 输入。

总结

ADA4937-1/ADA4937-2 凭借其超低的谐波失真、低输入电压噪声、高速性能以及灵活的配置选项，成为了驱动高性能 ADC 的理想选择。在实际应用中，工程师们需要根据具体的需求，合理选择工作条件和参数，并注意 PCB 设计的细节，以充分发挥这两款放大器的优势。大家在使用过程中遇到过哪些问题呢？或者有什么独特的应用经验，欢迎在评论区分享交流。