使用差分計(jì)算器簡(jiǎn)化全差分放大器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Zoltan Frasch and Tina Collins

差異放大器計(jì)算?是一個(gè)交互式設(shè)計(jì)和參數(shù)化仿真工具。它可自動(dòng)執(zhí)行耗時(shí)的計(jì)算，以確定增益、端接電阻、功耗、噪聲輸出和輸入共模電壓的最佳電平。DiffAmpCalc通過為工程師提供有效且直觀的工具來降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。DiffAmpCalc的強(qiáng)大之處在于其以設(shè)計(jì)為導(dǎo)向的功能，易用性和內(nèi)置的錯(cuò)誤檢測(cè)功能。

該工具通過使用數(shù)據(jù)手冊(cè)參數(shù)對(duì)放大器的行為進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，加快了ADI公司多個(gè)差分放大器的選擇、評(píng)估和故障排除。數(shù)據(jù)表中未指定的任何參數(shù)均根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)的值和數(shù)字進(jìn)行外推。

對(duì)三種類型的全差分放大器 （FDA） 進(jìn)行了建模：具有用戶可選增益的 FDA、具有預(yù)設(shè)增益的 FDA 和全差分漏斗放大器。圖 1 是 DiffAmpCalc 圖形用戶界面 （GUI）。本應(yīng)用筆記介紹了DiffAmpCalc的主要特性。

圖1.DiffAmpCalc GUI。

差積金的特點(diǎn)

DiffAmpCalc的設(shè)計(jì)特點(diǎn)使其成為一個(gè)強(qiáng)大的工具。三個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)特性是電路定制、優(yōu)化偏好以及可用于各種配置的大量動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。用戶有多個(gè)設(shè)計(jì)自定義選項(xiàng)。圖2顯示了輸入拓?fù)洌▎味嘶虿罘郑?、輸?a href="http://www.ttokpm.com/tags/耦合/" target="_blank">耦合（交流或直流）和輸入端接（端接）的用戶可選選項(xiàng)。圖 3 顯示了輸出負(fù)載選擇：無、差分、接地參考（GND 參考）或參考電壓（V 參考）。

圖2.輸入拓?fù)?、輸入耦合和輸入端接選項(xiàng)。

圖3.輸出負(fù)載選項(xiàng)。

對(duì)于高差分增益要求，可以選擇級(jí)聯(lián)放大器級(jí)。設(shè)置設(shè)計(jì)封裝后，存在多個(gè)優(yōu)化功能。其中一些特性包括自動(dòng)失調(diào)、輸入跟蹤、增益計(jì)算、電阻容差和熱效應(yīng)。

自動(dòng)偏移（自動(dòng)偏移）打開時(shí)，會(huì)自動(dòng)將輸入失調(diào)電壓和 Vocm 調(diào)整到可用輸入和輸出電壓范圍的中心。此功能可最大化放大器的動(dòng)態(tài)范圍。

嘗試保持平衡輸入時(shí)，啟用輸入跟蹤非常有用，因?yàn)檩斎敕群推茣?huì)自動(dòng)平衡。這是通過強(qiáng)制反相節(jié)點(diǎn)和同相節(jié)點(diǎn)相等來實(shí)現(xiàn)的。選擇“自動(dòng)偏移”時(shí)，將禁用輸入跟蹤。自動(dòng)偏移和輸入跟蹤選項(xiàng)選擇如圖4所示。

圖4.輸入跟蹤和自動(dòng)偏移。

設(shè)置系統(tǒng)增益

DiffAmpCalc簡(jiǎn)化了系統(tǒng)增益計(jì)算。在實(shí)際增益文本框中輸入所需增益（參見圖5中的圓圈區(qū)域），即可設(shè)置系統(tǒng)增益。

圖5.設(shè)置系統(tǒng)增益。

提供所有組件值，并可以使用滾動(dòng)條按比例調(diào)整。DiffAmpCalc 的一個(gè)關(guān)鍵功能是當(dāng)用戶為拓?fù)溥x擇終止時(shí)計(jì)算元件值（圖 2 中選擇了終止）。匹配阻抗需要輸入端接。阻抗匹配選項(xiàng)使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠靈活地定義輸入源。例如，如果使用信號(hào)發(fā)生器作為FDA的輸入，則需要雙重端接。

雙端接需要端接電阻。這些電阻會(huì)影響系統(tǒng)增益。為了保持雙端接拓?fù)涞南嗤到y(tǒng)增益，反饋和增益電阻需要迭代重新計(jì)算。ADA4930-1數(shù)據(jù)手冊(cè)中描述了此過程。

DiffAmpCalc 通過在選擇拓?fù)洹敖K止”時(shí)自動(dòng)計(jì)算組件值來簡(jiǎn)化迭代計(jì)算。此功能動(dòng)態(tài)更新各自的反饋并獲得組件值。默認(rèn)情況下，DiffAmpCalc 中的迭代計(jì)算是隱藏的。可以使用鍵盤快捷鍵 Alt + V 使計(jì)算可見。再次按 Alt + V 將隱藏計(jì)算。

DiffAmpCalc可輕松協(xié)助設(shè)計(jì)優(yōu)化，誤差預(yù)算和熱敏電阻噪聲影響。用戶可以通過選擇電阻容差按鈕中列出的以下選項(xiàng)之一，選擇<1%至5%的電阻容差：無、<1%（E192）、1%（E96）、2%（E48）或5%（E24），如圖6所示。

圖6.電阻容差選項(xiàng)。

電阻噪聲對(duì)性能的熱影響是在用戶定義環(huán)境溫度時(shí)計(jì)算的。電阻噪聲信息如圖7所示。

圖7.噪聲數(shù)據(jù)和輸入。

仿真結(jié)果

每個(gè)節(jié)點(diǎn)的仿真結(jié)果即時(shí)可用，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)分析。源電壓以及放大器輸入和輸出電壓波形的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)和類似示波器的數(shù)字有助于快速了解組件和系統(tǒng)的權(quán)衡。左鍵單擊類似示波器的顯示屏可實(shí)現(xiàn) 1×、2×、5×、10×、20×、50× 和 100× 放大倍率。右鍵單擊顯示屏可恢復(fù)放大倍率并縮小。

計(jì)算所有節(jié)點(diǎn)的直流和交流峰峰值電壓。輸入電壓指定為交流電壓，峰峰值疊加在直流失調(diào)上。如果考慮峰值電流，則總功耗分為靜態(tài)功率和動(dòng)態(tài)功率。在圖8中，節(jié)點(diǎn)電壓顯示在電路圖的圓圈區(qū)域中，類似示波器的數(shù)字顯示在電路圖右側(cè)的框區(qū)域中。功耗計(jì)算可在盒裝示波器區(qū)域下方找到。

圖8.屏幕截圖突出顯示節(jié)點(diǎn)電壓和類似示波器的顯示器。

圖中顯示了放大器頻率響應(yīng)平坦頻率的時(shí)域仿真。頻域仿真包括放大器的帶寬以及噪聲和失真。默認(rèn)情況下，噪聲和失真是根據(jù)放大器的最大帶寬計(jì)算得出的。如果需要輸出端噪聲和失真仿真結(jié)果，則選擇輸出低通濾波器（圖8中輸出LPF在屏幕底部中央圈出）可指定用戶定義頻率和峰峰值幅度下的噪聲和失真。當(dāng)使用DiffAmpCalc選擇ADC驅(qū)動(dòng)器時(shí)，此信息非常有用，因?yàn)镋NOB和SINAD會(huì)自動(dòng)更新。如果系統(tǒng)增益大于 4，則 HD2/HD3、THD/SNDR 和 ENOB 將顯示不適用。鍵盤快捷鍵 Alt + N 使這些參數(shù)可見。

數(shù)據(jù)輸入

在DiffAmpCalc中輸入用戶定義輸入的點(diǎn)擊方法使其成為一種高效的工具。使用滾動(dòng)條和文本框輸入數(shù)據(jù)允許動(dòng)態(tài)更新仿真結(jié)果。電壓滾動(dòng)條的默認(rèn)步長(zhǎng)為100 mV步長(zhǎng)。要更改分辨率，請(qǐng)使用以下鍵盤組合：

對(duì)于 1 V 步進(jìn)，Shift + 左鍵單擊

對(duì)于 10 mV 步長(zhǎng)，按 Ctrl + 左鍵單擊

對(duì)于 1 mV 步進(jìn)，Alt + 左鍵單擊

在文本框內(nèi)單擊可激活它。激活文本框時(shí)，文本框的顏色將從白色變?yōu)榫G色。激活文本框后，用戶可以輸入數(shù)字、小數(shù)或負(fù)號(hào)。

內(nèi)置錯(cuò)誤檢測(cè)

DiffAmpCalc具有多種內(nèi)置錯(cuò)誤檢測(cè)功能，可防止常見的差分放大器問題滲透到設(shè)計(jì)中。當(dāng)輸入的值超出規(guī)格時(shí)，文本框?qū)⒆優(yōu)闇\紅色，并顯示一條警告消息，顯示自動(dòng)更正或不允許在當(dāng)前方向上進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)整的原因。圖 9 是警告消息的示例，圖 10 是建議修復(fù)的示例。

圖9.警告消息。

圖 10.建議的修復(fù)。

當(dāng)調(diào)整和某些條件重合時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一條警告消息，提醒用戶注意這些沖突的條件。只要存在錯(cuò)誤條件，警告消息就會(huì)持續(xù)存在。修復(fù)剪切的輸入和輸出的快速解決方案是啟用自動(dòng)對(duì)齊功能。當(dāng)輸入和/或輸出被削波時(shí)，此功能是一個(gè)可見選項(xiàng)。自動(dòng)對(duì)齊功能可解決此問題，并將輸入和 Vocm 設(shè)置為最大輸出動(dòng)態(tài)范圍。有關(guān)使用自動(dòng)對(duì)齊作為選項(xiàng)的削波輸入的示例，請(qǐng)參見圖 11，有關(guān)自動(dòng)對(duì)齊修復(fù)，請(qǐng)參見圖 12。

圖 11.剪裁的輸入和輸出，自動(dòng)對(duì)齊選項(xiàng)可見。

圖 12.選擇“自動(dòng)對(duì)齊”后的結(jié)果。

單端端接選項(xiàng)中內(nèi)置了一個(gè)微妙的錯(cuò)誤預(yù)防功能。當(dāng)使用單端至差分拓?fù)鋾r(shí)，F(xiàn)DA未使用輸入的阻抗必須與其他輸入相匹配。參見圖13中的圓圈區(qū)域，了解具有匹配阻抗的未使用輸入的示例。

圖 13.單端至差分拓?fù)涞淖杩蛊ヅ洹?/strong>