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基于有源匹配电路改善宽带全差分放大器的噪声性能分析
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2017-12-07
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自从1999年首次面世以来，宽带全差分放大器（FDA）的单端至差分应用经常将一个接地电阻用作输入匹配电路的一部分，代价是更高的以输入为参考的噪声电压。如果可以去除那个电阻，输入阻抗匹配电路仅由进入求和点的路径确定，那么就有可能得到低得多的以输入为参考的噪声。当输入匹配电路可以通过一个大于1GHz的共模环路带宽保持在很高频率时，这是一个可行的方案。本文将介绍两种方法的设计公式，并比较以输入为参考的噪声对目标增益的影响。
使用全差分放大器实现的单端至差分转换
日益普及的全差分放大器（FDA）支持的更加有用的功能之一是将单端信号源转换为所有现代ADC输入要求的差分输出信号。这些设计可以是直流或交流耦合设计。当采用直流耦合时，需要留意输入共模范围，在这种情况下双极电源对许多FDA来说是很有用的。如果有更高速度要求，那么单电源更加常见，并且通常要求使用输入匹配电路来匹配某些源阻抗，以便限制反射和/或SFDR劣化。虽然单电源FDA可以提供直流耦合路径，但本文将介绍一种交流耦合方法，它能取消输入共模范围这一考虑因素。只要输入保持在一定范围内，这些相同结果也可以应用于直流耦合设计。图1显示了双重端接50Ω输入设计的典型交流耦合式实现。这种设计可以进一步改进为增益为5V/V的目标设计例子，这可以从使用499Ω反馈元件、并使用免费的Spice仿真器产生原理图开始（参考文献1）。
图1：增益为5V/V（14dB）、输入阻抗为50Ω的交流耦合式单端至差分设计。
对这类电路来说有几个常见的考虑因素——
1. 反馈电路是相等的。
2. 输入阻抗等于Rt和看向Rg1的阻抗的组合。
3. 通过FDA内共模环路的作用，看向Rg1的阻抗将增加到超过Rg1的值（参考文献2）。这个环路的作用是使输出共模电压保持不变，进而导致输入共模电压随输入信号变化而改变，增加朝Rg1看的外在输入阻抗。
4. 电阻Rg2用于取得差分平衡，等于Rg1 + Rt||Rs。
5. 当Rg2设置好后，这个电路的噪声增益（NG）就等于1+Rf/Rg2。
6. 由于输入路径上采用的是交流耦合，因此直流I/O工作电压默认为内部产生的Vcm参考电压（对这个3.3V单电源器件来说是1.2V）。这个Vcm控制了输出共模电压，但由于没有直流电流路径返回到输入端，Vcm也就确定了直流输入共模工作电压。
上述特定例子使用的是一种非常低噪声的4GHz增益带宽FDA-ISL55210。在本例中，设计从选择Rf的值开始，然后求出Rt和Rg1元件的值。在Rt和Rg1元件之间划分输入匹配贡献方面几乎没有供应商指导。可供权衡的因素是，Rg1元件变小（Rt变大）将减小输入噪声和扩展带宽（针对基于电压反馈的FDA）。朝这个方向进行下去将更多地取决于共模环路带宽，并将输入匹配设进Rg1路径（参考文献2）。虽然获得图1电路中电阻值的最常见方法是反复或近似方法，但为目标增益（Av）和输入阻抗（Rs）选取Rf可以巧妙地变为针对Rt的二次方程求解（参考文献3）。
使用全差分放大器实现的单端至差分转换
日益普及的全差分放大器（FDA）支持的更加有用的功能之一是将单端信号源转换为所有现代ADC输入要求的差分输出信号。这些设计可以是直流或交流耦合设计。当采用直流耦合时，需要留意输入共模范围，在这种情况下双极电源对许多FDA来说是很有用的。如果有更高速度要求，那么单电源更加常见，并且通常要求使用输入匹配电路来匹配某些源阻抗，以便限制反射和/或SFDR劣化。虽然单电源FDA可以提供直流耦合路径，但本文将介绍一种交流耦合方法，它能取消输入共模范围这一考虑因素。只要输入保持在一定范围内，这些相同结果也可以应用于直流耦合设计。图1显示了双重端接50Ω输入设计的典型交流耦合式实现。这种设计可以进一步改进为增益为5V/V的目标设计例子，这可以从使用499Ω反馈元件、并使用免费的Spice仿真器产生原理图开始（参考文献1）。
图1：增益为5V/V（14dB）、输入阻抗为50Ω的交流耦合式单端至差分设计。
对这类电路来说有几个常见的考虑因素——
1. 反馈电路是相等的。
2. 输入阻抗等于Rt和看向Rg1的阻抗的组合。
3. 通过FDA内共模环路的作用，看向Rg1的阻抗将增加到超过Rg1的值（参考文献2）。这个环路的作用是使输出共模电压保持不变，进而导致输入共模电压随输入信号变化而改变，增加朝Rg1看的外在输入阻抗。
4. 电阻Rg2用于取得差分平衡，等于Rg1 + Rt||Rs。
5. 当Rg2设置好后，这个电路的噪声增益（NG）就等于1+Rf/Rg2。
6. 由于输入路径上采用的是交流耦合，因此直流I/O工作电压默认为内部产生的Vcm参考电压（对这个3.3V单电源器件来说是1.2V）。这个Vcm控制了输出共模电压，但由于没有直流电流路径返回到输入端，Vcm也就确定了直流输入共模工作电压。
上述特定例子使用的是一种非常低噪声的4GHz增益带宽FDA-ISL55210。在本例中，设计从选择Rf的值开始，然后求出Rt和Rg1元件的值。在Rt和Rg1元件之间划分输入匹配贡献方面几乎没有供应商指导。可供权衡的因素是，Rg1元件变小（Rt变大）将减小输入噪声和扩展带宽（针对基于电压反馈的FDA）。朝这个方向进行下去将更多地取决于共模环路带宽，并将输入匹配设进Rg1路径（参考文献2）。虽然获得图1电路中电阻值的最常见方法是反复或近似方法，但为目标增益（Av）和输入阻抗（Rs）选取Rf可以巧妙地变为针对Rt的二次方程求解（参考文献3）。
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