AN-1404: 利用DiffAmpCalc簡(jiǎn)化全差分放大器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Zoltan Frasch 和 Tina Collins

DiffAmpCalc?是一種交互式設(shè)計(jì)和參數(shù)仿真工具。它使耗時(shí)的計(jì)算自動(dòng)化，從而輕松確定增益、終端電阻、功耗、噪聲輸出及輸入共模電壓的優(yōu)質(zhì)水平。DiffAmpCalc通過(guò)為工程師提供高效且直觀的工具來(lái)減少設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。DiffAmpCalc的威力在于其以設(shè)計(jì)為導(dǎo)向的特性、易用性和內(nèi)置差錯(cuò)檢測(cè)功能。

該工具利用數(shù)據(jù)手冊(cè)上的參數(shù)以數(shù)學(xué)手段模擬放大器的行為，可加快ADI公司多款差分放大器的選型、評(píng)估和故障排除。數(shù)據(jù)手冊(cè)中未規(guī)定的參數(shù)，將根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)中的值和圖形進(jìn)行外推。

模擬的全差分放大器(FDA)有三類：帶用戶可選增益的FDA、帶預(yù)設(shè)增益的FDA以及全差分漏斗放大器。圖1為DiffAmpCalc圖形用戶界面(GUI)。本應(yīng)用筆記說(shuō)明DiffAmpCalc的主要特性。

圖1. DiffAmpCalc GUI

DIFFAMPCALC特性

DiffAmpCalc是一款強(qiáng)大的工具，擁有豐富的設(shè)計(jì)特性。其三個(gè)主要設(shè)計(jì)特性是電路定制、優(yōu)化首選項(xiàng)以及用于各類配置的大量動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。用戶有多個(gè)設(shè)計(jì)定制選項(xiàng)。圖2所示為用戶可選的輸入拓?fù)?Single Ended(單端)或Differential(差分))、輸入耦合(交流或直流)及輸入端接(Terminate(端接))選項(xiàng)。圖3所示為輸出負(fù)載選項(xiàng)：None(無(wú))、Differential(差分)、以地為基準(zhǔn)(GND Referred)或以某個(gè)電壓為基準(zhǔn)(V Referred)。

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)

如需高差分增益，級(jí)聯(lián)放大器級(jí)是一個(gè)選擇。確定設(shè)計(jì)尺寸之后，有多個(gè)優(yōu)化特性可供使用，其中包括自動(dòng)偏移、輸入跟蹤、增益計(jì)算、電阻容差和熱效應(yīng)。

自動(dòng)偏移(Auto Offset)開(kāi)啟后，會(huì)自動(dòng)調(diào)整輸入失調(diào)電壓，并將Vo c m調(diào)到可用輸入和輸出電壓范圍的中心。此特性可使放大器的動(dòng)態(tài)范圍較大化。

若想要保持平衡輸入，使能輸入跟蹤(Input Tracking)會(huì)很有用，因?yàn)樗鼤?huì)自動(dòng)平衡輸入幅度和失調(diào)。這是通過(guò)迫使反相和同相節(jié)點(diǎn)相等來(lái)實(shí)現(xiàn)的。選擇Auto Offset時(shí)，InputTracking會(huì)禁用。Auto Offset和Input Tracking選項(xiàng)如圖4所示。

圖4. Input Tracking和Auto Offset

設(shè)置系統(tǒng)增益

DiffAmpCalc可簡(jiǎn)化系統(tǒng)增益計(jì)算。將所需增益輸入實(shí)際增益(Actual Gain)文本框(參見(jiàn)圖5中的帶圈區(qū)域)以設(shè)置系統(tǒng)增益。

圖5. 設(shè)置系統(tǒng)增益

它會(huì)提供所有元件值，利用滾動(dòng)條可以按比例調(diào)整這些值。DiffAmpCalc的一個(gè)重要特性是，當(dāng)用戶在拓?fù)?To p o l o g y)中選擇端接(Terminate)時(shí)(即選中圖2中的Terminate)，它會(huì)計(jì)算元件值。需要輸入端接來(lái)匹配阻抗。利用匹配阻抗選項(xiàng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者可以靈活地定義輸入源。例如，若使用信號(hào)發(fā)生器作為FDA的輸入，則需要雙重端接。

雙重端接需要端接電阻。這些電阻會(huì)影響系統(tǒng)增益。為使雙重端接拓?fù)浔３窒嗤南到y(tǒng)增益，需要以迭代方式重新計(jì)算反饋電阻和增益電阻。該過(guò)程在ADA4930-1數(shù)據(jù)手冊(cè)中有說(shuō)明。

當(dāng)在拓?fù)渲羞x擇Terminate時(shí)，DiffAmpCalc會(huì)自動(dòng)計(jì)算元件值，從而簡(jiǎn)化迭代計(jì)算。此特性會(huì)動(dòng)態(tài)更新相應(yīng)的反饋和增益元件值。DiffAmpCalc中的迭代計(jì)算默認(rèn)是隱藏的。利用鍵盤快捷鍵Alt + V可使計(jì)算可見(jiàn)。再次按下Alt + V又會(huì)隱藏計(jì)算。

利用誤差預(yù)算和電阻熱噪聲效應(yīng)，DiffAmpCalc很容易幫助優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)選擇電阻容差(Resistor Tolerance)按鈕列出的下列選項(xiàng)之一，用戶可以選擇<1%到5%范圍內(nèi)的電阻容差：None(無(wú))、<1%(E192)、1%(E96)、2%(E48)或5% (E24)，如圖6所示。

圖6. 電阻容差選項(xiàng)

當(dāng)用戶定義環(huán)境溫度后，它就會(huì)計(jì)算電阻噪聲對(duì)性能的熱影響。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)果會(huì)立即提供，因此可以進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。源電壓的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)和類似示波器的圖形以及放大器輸入/輸出電壓波形，對(duì)于快速了解元件和系統(tǒng)的權(quán)衡是很有利的。左鍵點(diǎn)擊類似示波器的顯示區(qū)，可以實(shí)現(xiàn)1×、2×、5×、10×、20×、50×和100×放大。右鍵點(diǎn)擊該顯示區(qū)會(huì)還原。

它會(huì)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，峰峰值疊加在直流偏置之上。如果峰值電流是考慮事項(xiàng)，則總功耗會(huì)被分為靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗。圖8中，節(jié)點(diǎn)電壓顯示在電路圖的畫圈區(qū)域中，類似示波器的圖形顯示在電路圖右側(cè)帶框區(qū)域中。功耗計(jì)算位于帶框示波器區(qū)域下方。

圖8. 突出顯示節(jié)點(diǎn)電壓和示波器狀顯示區(qū)的屏幕截圖

顯示的時(shí)域仿真對(duì)應(yīng)于放大器頻率響應(yīng)為平坦?fàn)顣r(shí)的頻率。頻域仿真包括放大器的帶寬、噪聲和失真。噪聲和帶寬默認(rèn)根據(jù)放大器的最大帶寬來(lái)計(jì)算。如果需要輸出端噪聲和失真的仿真結(jié)果，選擇輸出低通濾波器(Output LPF，圖8底部畫圈區(qū)域，屏幕中央)將給出用戶定義頻率下的噪聲和失真以及峰峰值幅度。使用DiffAmpCalc來(lái)選擇ADC驅(qū)動(dòng)器時(shí)，此信息會(huì)很有用，因?yàn)镋NOB和SINAD會(huì)自動(dòng)更新。如果系統(tǒng)增益大于4，HD2/HD3、THD/SNDR和ENOB會(huì)顯示N/A(不適用)。利用鍵盤快捷鍵Alt + N可使這些參數(shù)可見(jiàn)。

數(shù)據(jù)輸入

本框輸入數(shù)據(jù)時(shí)，仿真結(jié)果可以動(dòng)態(tài)更新。電壓滾動(dòng)條的默認(rèn)步長(zhǎng)為100 mV。若要改變分辨率，請(qǐng)使用以下按鍵組合：

1 V步長(zhǎng)：Shi鼠標(biāo)左鍵

10 mV步長(zhǎng)：Ctrl鼠標(biāo)左鍵

1 mV步長(zhǎng)：Alt鼠標(biāo)左鍵

單擊一個(gè)文本框內(nèi)部會(huì)將其激活。激活文本框時(shí)，文本框顏色從白色變?yōu)榫G色。激活文本框之后，用戶便可輸入數(shù)值、小數(shù)或負(fù)號(hào)。

內(nèi)置差錯(cuò)檢測(cè)功能

DiffAmpCalc有多個(gè)內(nèi)置差錯(cuò)檢測(cè)功能，可防止差分放大器常見(jiàn)問(wèn)題混入設(shè)計(jì)中。當(dāng)輸入的值超出規(guī)格范圍時(shí)，文本框會(huì)變?yōu)榧t色，并會(huì)顯示一條警告消息，其中會(huì)給出自動(dòng)糾正結(jié)果或?yàn)槭裁床辉试S沿當(dāng)前方向進(jìn)一步調(diào)整的原因。圖9為警告消息示例，圖10為建議修正示例。

圖9. 警告消息

圖10. 建議修正示例

當(dāng)調(diào)整與某些條件一致時(shí)，會(huì)顯示一條警告消息，提醒用戶注意這些沖突情況。只要錯(cuò)誤條件存在，警告消息就會(huì)一直顯示。解決輸入和輸出削波的快速方法是使能自動(dòng)對(duì)齊(AutoAlign)特性。當(dāng)輸入和/或輸出削波時(shí)，此特性是可見(jiàn)選項(xiàng)。AutoAlign特性會(huì)修正該問(wèn)題，并設(shè)置輸入和Vo c m以支持最大輸出動(dòng)態(tài)范圍。圖11顯示了一個(gè)輸入被削波的例子，其中出現(xiàn)了AutoAlign選項(xiàng)；圖12是AutoAlign修正后的情形。

圖11. 輸入和輸出被削波，AutoAlign選項(xiàng)可見(jiàn)

圖12. 選擇AutoAlign之后的結(jié)果

有一個(gè)微妙的防錯(cuò)特性內(nèi)置在單端端接(Single-Ended Terminate)選項(xiàng)中。使用單端轉(zhuǎn)差分拓?fù)鋾r(shí)，F(xiàn)DA未使用輸入的阻抗必須與另一輸入匹配。圖13中的帶圈區(qū)域顯示了一個(gè)帶匹配阻抗的未使用輸入的例子。

圖13. 單端轉(zhuǎn)差分拓?fù)涞淖杩蛊ヅ?/strong>