AD8137：低成本、低功耗差分ADC驱动器的卓越之选

在电子设计领域，对于ADC驱动器的需求日益增长，尤其是在对功耗和成本敏感的系统中。AD8137作为一款低成本、低功耗的差分ADC驱动器，凭借其出色的性能和丰富的特性，成为了众多工程师的首选。本文将深入介绍AD8137的特点、性能参数、工作原理以及应用场景，帮助工程师更好地了解和应用这款产品。

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一、AD8137的特性亮点

1. 低功耗设计

AD8137具有极低的功耗，在5V电源下，静态供电电流仅为2.6mA，而在掉电模式下，电流可降至450µA。这种低功耗特性使得它非常适合用于电池供电的应用，能够有效延长设备的续航时间。

2. 高速性能

该驱动器具备高速特性，在增益为1时，大信号3dB带宽可达110MHz，压摆率为450V/µs，在500kHz时具有12位的无杂散动态范围（SFDR）性能。快速的响应速度和高带宽能够满足高速信号处理的需求。

3. 高精度表现

输入失调电压最大为±2.6mV，输入失调电流最大为0.45µA，这些参数保证了信号处理的高精度。同时，其内部的共模反馈架构使得输出共模电压易于控制，并且能够抑制偶次谐波失真产物，提供平衡的输出。

4. 灵活的工作模式

支持差分输入和输出，可实现差分转差分或单端转差分的操作。输出具有轨到轨的特性，并且输出共模电压可调节，增益也能通过外部进行调整，适应不同的应用需求。

5. 宽电源电压范围

电源电压范围为2.7V至12V，能够适应多种电源环境，增加了设计的灵活性。此外，它还采用了小型SOIC封装，适合空间受限的应用，并且经过了汽车应用的认证，可用于汽车相关系统。

二、性能参数详解

AD8137在不同电源电压和工作条件下的性能参数有所不同。以(V{s}= pm 5 V)，(V{OCM}=0 V)（@25°C，差分增益 = 1，(R{L, dm}=R{F}=R_{G}=1 k Omega)）为例，其主要性能参数如下：

• 动态性能：小信号-3dB带宽为64 - 76MHz，大信号-3dB带宽为63 - 110MHz，压摆率为450V/µs，0.02%的建立时间为100ns，过载恢复时间为85ns。
• 噪声/谐波性能：在(V{O, dm}=2 V{p-p})，(f_{C}=500 kHz)时，SFDR为90dB；输入电压噪声在50kHz至1MHz范围内为8.25nV/√Hz，输入电流噪声为1pA/√Hz。
• 直流性能：输入失调电压最大为±2.6mV，输入失调电压漂移为3µV/°C，输入偏置电流为0.5 - 1.0µA，输入失调电流最大为0.45µA，开环增益为91dB。

当电源电压和共模电压改变时，部分参数会相应发生变化，但总体性能依然保持在较高水平。

三、工作原理剖析

AD8137是一款低功耗、低成本的全差分电压反馈放大器，采用了两个反馈回路分别控制差分和共模反馈。差分增益通过外部电阻设置，与传统放大器类似；输出共模电压由内部反馈回路控制，通过外部(V_{OCM})输入进行设定。这种架构使得输出共模电压能够在不影响差分增益的情况下任意设置。

输入跨导级是一个H桥，其输出电流被镜像到高阻抗节点CP和CN。输出部分是传统的H桥驱动电路，由共发射极器件驱动节点+OUT和 - OUT。放大器的3dB点由公式(BW=frac{g{m}}{2 pi × C{C}})定义，其中(g{m})是输入级的跨导，(C{C})是节点CP/CN上的总电容。对于AD8137，输入级(g{m})约为1mA/V，电容(C{C})为3.5pF，使得放大器的交叉频率为41MHz。

共模反馈放大器ACM对输出共模电压进行采样，并通过负反馈使输出共模电压等于(V{OCM})输入的电压。即使(V{OCM})输入悬空，内部偏置发生器也会将输出共模电压设置为大约电源中点电压。这种共模反馈回路能够在宽频率范围内产生高度平衡的输出，无需紧密匹配的外部组件。

四、应用场景与设计要点

1. 典型应用分析

在使用匹配的(R{F})和(R{G})网络的典型应用中，AD8137的差分输入端子(V{AP})和(V{AN})作为求和节点，外部参考电压施加到(V{OCM})端子来设置输出共模电压。输出端子(V{OP})和(V_{ON})会根据输入信号以平衡的方式反向移动。

输出平衡是衡量(V{OP})和(V{ON})幅度匹配程度和相位差的指标，内部共模反馈回路使得输出共模信号分量趋近于零，从而实现近乎完美的平衡差分输出。输出平衡通过在差分电压输出端放置一个匹配良好的电阻分压器，并将分压器中点的信号与差分输出的幅度进行比较来测量。

2. 噪声、增益和带宽估计

总输出噪声是多个统计独立源的均方根总和，包括AD8137的输入电压噪声、输入电流噪声以及外部反馈网络的噪声。不同闭环增益下的推荐电阻值和带宽、输出差分电压噪声估计如下表所示：	增益	(R_{G}) (Ω)	(R_{F}) (Ω)	3dB带宽 (MHz)	总输出噪声 (nV/√Hz)
1	1k	1k	72	18.6
2	1k	2k	40	28.9
5	1k	5k	12	60.1
10	1k	10k	6	112.0

电压增益可以通过信号定义和电路连接关系推导得出，反馈因子(beta)的引入方便了差分驱动器的分析。输入共模电压的线性范围延伸到接近任一电源轨约1V的范围内，输入阻抗取决于信号源是单端还是差分。

3. 输入共模摆幅考虑

在单端转差分应用中，使用单电源电压时需要注意输入共模电压的摆幅。可以通过将(V{IN})和(V{REF})偏置在电源中点，或者使用双电源供电来避免输入共模摆幅的限制。

4. 带宽与闭环增益关系

AD8137的3dB带宽与闭环增益成反比，类似于传统电压反馈运算放大器。对于闭环增益大于4的情况，特定增益下的带宽可以通过公式(f{-3dB}, V{O, dm}=frac{R{G}}{R{G}+R_{F}} times(72 MHz))进行估计。

5. 直流误差估计

AD8137的主要差分输出失调误差由输入失调电压、输入电流与反馈网络电阻的相互作用以及输入和输出共模电压的直流电压差与反馈网络匹配误差共同导致。总差分失调误差是这三个误差源的总和。

6. 驱动容性负载

纯容性负载会与AD8137的键合线和引脚电感相互作用，导致瞬态响应中的高频振铃和相位裕度损失。可以在每个输出端串联一个小电阻来缓冲负载电容，电阻值应尽可能小。

7. 布局考虑

设计时应遵循标准的高速PCB布局实践，推荐使用实心接地平面，并在电源引脚附近放置良好的宽带电源去耦网络。为了最小化求和节点的杂散电容，应去除连接到求和节点的所有走线和焊盘下方各层的铜。如果无法避免杂散电容，可以通过在反馈电阻两端放置小电容来补偿其影响。

8. 单端输入端接

在高速信号应用中，需要对单端输入进行适当的端接。AD8137输入电路的输入电阻与端接电阻并联，其负载效应需要考虑。在50Ω环境中，通过合理选择端接电阻和反馈电阻，可以实现匹配的反馈回路。

9. 掉电功能

AD8137具有(PD)引脚，通过将其置为低电平可以最小化器件不使用时的静态电流。(PD)引脚具有内部上拉网络，可使放大器正常工作，无需外部上拉电阻。但在±5V应用中，不要将(PD)引脚直接连接到(V_{s})，以免导致放大器消耗过多的电源电流并可能引发振荡和稳定性问题。

五、驱动高分辨率ADC的性能测试

为了评估AD8137在大于12位线性度系统中的性能，使用AD7687 16位、250KSPS ADC进行测试。将AD8137设置为增益为2，通过20kHz带通滤波器单端驱动，输出差分连接到AD7687的输入。

在不同的电源设置下，测试了AD8137的性能。当AD7687输入范围达到 - 1.82dBFS时，AD8137使用单5V电源；当输入范围增加到 - 0.45dBFS时，AD8137的电源增加到+6V和 - 1V。测试结果表明，AD8137在这些条件下能够满足高分辨率ADC的驱动需求。

六、结语

AD8137作为一款优秀的差分ADC驱动器，凭借其低功耗、高速、高精度等特性，适用于多种应用场景，如汽车视觉和安全系统、汽车信息娱乐系统、便携式仪器等。在设计过程中，工程师需要根据具体的应用需求，合理选择参数和布局，以充分发挥AD8137的性能优势。你在使用AD8137的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。