超低失真电流反馈差分 ADC 驱动器 ADA4927-1/ADA4927-2 深度剖析

在电子工程师的日常设计工作中，选择合适的 ADC 驱动器至关重要。今天，我们就来深入了解一款性能卓越的超低失真电流反馈差分 ADC 驱动器——ADA4927-1/ADA4927-2。

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一、产品概述

ADA4927 是一款低噪声、超低失真、高速的电流反馈差分放大器，非常适合驱动分辨率高达 16 位、频率从直流到 100 MHz 的高性能 ADC。它采用了 Analog Devices 公司的硅锗互补双极工艺，输入电压噪声仅为 1.3 nV/√Hz，能够实现极低的失真水平。

二、产品特性

（一）超低谐波失真

在不同频率下，ADA4927 都展现出了出色的谐波失真性能。例如，在 10 MHz 时，HD2 为 -105 dBc，HD3 为 -103 dBc；在 70 MHz 时，HD2 为 -91 dBc，HD3 为 -98 dBc；在 100 MHz 时，HD2 为 -87 dBc，HD3 为 -89 dBc。而且，与电压反馈放大器相比，它在更高增益下具有更好的失真性能。

（二）低输入电压噪声

输入电压噪声仅为 1.4 nV/√Hz，能够有效降低系统噪声，提高信号质量。

（三）高速性能

• -3 dB 带宽高达 2.3 GHz，能够满足高速信号处理的需求。
• 0.1 dB 增益平坦度可达 150 MHz，保证了信号在较宽频率范围内的稳定放大。
• 压摆率为 5000 V/µs，25% 到 75% 响应迅速。
• 0.1% 建立时间仅为 10 ns，能够快速稳定输出信号。

（四）其他特性

• 低输入失调电压，典型值为 0.3 mV。
• 外部可调增益，可根据实际需求灵活调整。
• 稳定性和带宽由反馈电阻控制，设计更加灵活。
• 支持差分 - 差分或单端 - 差分操作。
• 可调输出共模电压，方便与 ADC 输入共模电平匹配。
• 宽电源操作范围，从 +5 V 到 ±5 V。

三、应用领域

ADA4927 具有广泛的应用领域，包括但不限于：

• ADC 驱动：为高性能 ADC 提供低失真、低噪声的驱动信号。
• 单端 - 差分转换：将单端信号转换为差分信号，提高信号抗干扰能力。
• IF 和基带增益模块：在中频和基带信号处理中提供增益。
• 差分缓冲：对差分信号进行缓冲和放大。
• 差分线驱动：驱动差分线路，实现信号的远距离传输。

四、规格参数

（一）±5 V 操作

在 ±5 V 电源供电、TA = 25°C 的条件下，ADA4927 具有以下性能参数：

• 动态性能：
  • -3 dB 小信号带宽：VOUT, dm = 0.1 V p-p 时，为 2300 MHz。
  • -3 dB 大信号带宽：VOUT, dm = 2.0 V p-p 时，为 1500 MHz。
  • 0.1 dB 平坦度带宽：ADA4927-1 在 VOUT, dm = 0.1 V p-p 时为 150 MHz；ADA4927-2 在 VOUT, dm = 0.1 V p-p 时为 120 MHz。
  • 压摆率：VOUT, dm = 2 V 阶跃、25% 到 75% 时，为 5000 V/µs。
  • 0.1% 建立时间：VOUT, dm = 2 V 阶跃时，为 10 ns。
  • 过载恢复时间：VIN = 0 V 到 0.9 V 阶跃、G = 10 时，为 10 ns。
• 噪声/谐波性能：
  • 二次谐波：VOUT, dm = 2 V p-p、10 MHz 时，为 -105 dBc；70 MHz 时，为 -91 dBc；100 MHz 时，为 -87 dBc。
  • 三次谐波：VOUT, dm = 2 V p-p、10 MHz 时，为 -103 dBc；70 MHz 时，为 -98 dBc；100 MHz 时，为 -89 dBc。
  • IMD：f1 = 70 MHz、f2 = 70.1 MHz、VOUT, dm = 2 V p-p 时，为 -94 dBc；f1 = 140 MHz、f2 = 140.1 MHz、VOUT, dm = 2 V p-p 时，为 -85 dBc。
  • 电压噪声（RTI）：f = 100 kHz、G = 28 时，为 1.4 nV/√Hz。
  • 输入电流噪声：f = 100 kHz、G = 28 时，为 14 pA/√Hz。
  • 串扰：f = 100 MHz、ADA4927-2 时，为 -75 dB。
• 输入特性：
  • 失调电压：VIP = VIN = VOCM = 0 V 时，为 -1.3 到 +0.3 到 +1.3 mV，tMIN 到 tMAX 变化为 ±1.5 µV/°C。
  • 输入偏置电流：为 -15 到 +0.5 到 +15 µA，tMIN 到 tMAX 变化为 ±0.1 µA/°C。
  • 输入失调电流：为 -10.5 到 -0.6 到 +10.5 µA。
  • 输入电阻：差分为 14 Ω，共模为 120 kΩ。
  • 输入电容：差分为 0.5 pF。
  • 输入共模电压范围：为 -3.5 到 +3.5 V。
  • 共模抑制比（CMRR）：为 -70 到 -93 dB。
  • 开环跨阻：为 120 到 185 kΩ。
• 输出特性：
  • 输出电压摆幅：每个单端输出，RF = RG = 10 kΩ 时，为 -3.8 到 +3.8 V。
  • 线性输出电流：为 65 mA p-p。
  • 输出平衡误差：∆VOUT, cm/∆VOUT, dm、∆VOUT, dm = 1 V、10 MHz 时，为 -65 dB。

（二）+5 V 操作

在 +5 V 电源供电的条件下，ADA4927 也具有相应的性能参数，具体可参考数据手册。

（三）绝对最大额定值

• 电源电压：11 V。
• 功率耗散：需参考相关图表。
• 输入电流：+IN、-IN、PD 为 ±5 mA。
• 存储温度范围：-65°C 到 +125°C。
• 工作温度范围：-40°C 到 +105°C。
• 引脚温度（焊接，10 秒）：300°C。
• 结温：150°C。

（四）热阻

• 16 引脚 LFCSP（暴露焊盘）：87 °C/W。
• 24 引脚 LFCSP（暴露焊盘）：47 °C/W。

（五）最大功耗

ADA4927 封装的最大安全功耗受芯片结温（TJ）上升的限制。在约 150°C 的玻璃化转变温度下，塑料会改变性能。即使暂时超过此温度限制，也可能改变封装对芯片施加的应力，永久性地改变 ADA4927 的参数性能。长时间超过 150°C 的结温可能导致硅器件发生变化，可能导致故障。

五、引脚配置和功能描述

（一）ADA4927-1

ADA4927-1 采用 16 引脚 LFCSP 封装，各引脚功能如下：	引脚编号	助记符	描述
1	+IN	正输入求和节点
2	-FB	反馈组件连接的负输出
3	-IN	负输入求和节点
4	+FB	反馈组件连接的正输出
5 - 8	+VS	正电源电压
9	VOCM	输出共模电压
10	+OUT	负载连接的正输出
11	-OUT	负载连接的负输出
12	PD	掉电引脚
17 (EPAD)	暴露焊盘 (EPAD)	将暴露焊盘连接到 +VS 和 -VS 之间的任何平面
13 - 16	-VS	负电源电压

（二）ADA4927-2

ADA4927-2 采用 24 引脚 LFCSP 封装，各引脚功能可参考数据手册中的详细描述。

六、典型性能特性

通过一系列的图表，我们可以直观地了解 ADA4927 在不同条件下的性能表现，包括不同增益、不同电源、不同温度、不同负载和不同 VOCM 水平下的频率响应、谐波失真、无杂散动态范围、串扰、CMRR、PSRR、输出平衡、回波损耗等特性。这些特性对于工程师在实际设计中选择合适的工作条件和参数具有重要的参考价值。

七、测试电路

数据手册中提供了多种测试电路，包括基本测试电路、输出平衡和 CMRR 测试电路、失真测量测试电路等。这些测试电路可以帮助工程师准确测量 ADA4927 的各项性能参数，验证其是否满足设计要求。

八、应用信息

（一）分析应用电路

ADA4927 利用高开环跨阻和负电流反馈来控制差分输出电压，以最小化差分误差电流。在大多数情况下，可以假设这些误差电流为零，并且放大器输入之间的电压内部自举为 0 V，因此可以采用类似于电压反馈放大器的方法进行外部分析。同样，实际输出共模电压与施加到 VOCM 的电压之间的差异也可以假设为零。基于这些原理，可以分析任何应用电路。

（二）设置闭环增益

差分增益可以通过公式 (G{dm}=frac{V{OUT, dm}}{V{IN, dm}}=frac{R{F}}{R_{G}}) 来确定，前提是两侧的输入电阻（RG）和反馈电阻（RF）值相等。

（三）估计输出噪声电压

可以使用噪声模型来估计 ADA4927 的差分输出噪声。输入参考噪声电压密度 vnIN 被建模为差分输入，噪声电流 inIN - 和 inIN + 出现在每个输入与地之间。由于 vnIN 产生的输出电压通过将 vnIN 乘以噪声增益 GN 获得。噪声电流是不相关的，具有相同的均方值，每个噪声电流产生的输出电压等于噪声电流乘以相关的反馈电阻。当反馈网络具有相同的反馈因子时，vnCM 产生的输出噪声是共模的。四个电阻中的每个电阻贡献 ((4kTRxx)^{1/2})。反馈电阻的噪声直接出现在输出端，每个增益电阻的噪声乘以 RF/RG 后出现在输出端。总差分输出噪声密度 (v_{nOD}) 是各个输出噪声项的均方根。

（四）反馈网络失配的影响

即使外部反馈网络 ((R{F} / R{G})) 失配，内部共模反馈环仍会迫使输出保持平衡。每个输出处的信号幅度保持相等且相位相差 180°。输入 - 输出差分模式增益与反馈失配成比例变化，但输出平衡不受影响。从 VOCM 引脚到 (V{O, dm}) 的增益等于 (2(beta 1 - beta 2) / (beta 1 + beta 2))。在大多数应用中，反馈环名义上匹配在 1% 以内，VOCM 输入引起的输出噪声和失调可以忽略不计。如果有意使环路失配很大，则需要考虑从 VOCM 到 (V{O, dm}) 的增益项并考虑额外的噪声。

（五）计算应用电路的输入阻抗

对于平衡差分输入信号，输入阻抗 (R{IN, dm}=R{G}+R{G}=2 × R{G})；对于不平衡的单端输入信号，输入阻抗的计算公式为 (R{IN}=frac{R{G}(1 + frac{R{F}}{R{G}})}{2})。

（六）单端输入的端接

对于单端输入的 ADA4927，需要进行适当的端接。具体步骤包括计算输入阻抗、计算端接电阻、添加校正电阻和调整反馈电阻以获得所需的输出电压。

（七）输入共模电压范围

ADA4927 的输入共模范围在两个电源轨之间居中，适用于交流耦合、差分 - 差分和双电源应用。在 ±5 V 电源下，放大器求和节点的输入共模范围为 -3.5 V 到 +3.5 V；在 +5 V 单电源下，为 +1.3 V 到 +3.7 V。为避免非线性，+IN 和 -IN 端子的电压摆幅必须限制在这些范围内。

（八）输入和输出电容交流耦合

可以在源和 RG 之间插入输入交流耦合电容，这会阻止直流共模反馈电流的流动，使 ADA4927 的直流输入共模电压等于直流输出共模电压。为保持反馈因子匹配，必须在两个环路中都放置这些交流耦合电容。输出交流耦合电容可以串联放置在每个输出和相应负载之间。

（九）设置输出共模电压

ADA4927 的 VOCM 引脚内部由两个 10 kΩ 电阻组成的分压器偏置，电压约等于电源中点 ([(+Vs)+(-Vs)] / 2)。由于这个内部分压器，VOCM 引脚根据外部施加的电压和相关的源电阻来源和吸收电流。依靠内部偏置会使输出共模电压在预期值的约 100 mV 以内。如果需要精确控制输出共模电平，建议使用源电阻小于 100 Ω 的外部源或电阻分压器。也可以将 VOCM 输入连接到 ADC 的共模电平（CML）输出，但必须确保输出具有足够的驱动能力。VOCM 引脚的输入阻抗约为 10 kΩ。如果多个 ADA4927 设备共享一个 ADC 参考输出，可能需要一个缓冲器来驱动并行输入。

（十）掉电

掉电功能可以在特定设备不使用时降低功耗，并且在激活时不会将输出置于高阻态。通常通过将掉电引脚拉到正电源来启用 ADA4927。在环境温度低于 0°C 的应用中，不建议使用掉电功能。

九、布局、接地和旁路

作为高速设备，ADA4927 对其工作的 PCB 环境敏感。为实现其卓越性能，需要注意高速 PCB 设计的细节。具体要求包括：

• 提供一个尽可能覆盖 ADA4927 周围电路板面积的实心接地平面，但要清除反馈电阻（RF）、增益电阻（RG）和输入求和节点（引脚 2 和引脚 3）附近的所有接地和电源平面，以最小化这些节点的杂散电容，防止放大器在高频下出现峰值响应。
• 尽可能靠近设备对电源引脚进行旁路，并直接连接到附近的接地平面。使用高频陶瓷贴片电容，建议每个电源使用两个并联的旁路电容（1000 pF 和 0.1 µF），1000 pF 电容应更靠近设备。在更远的地方，使用 10 µF 钽电容从每个电源到地提供低频大容量旁路。
• 使信号布线短而直接，以避免寄生效应。只要存在互补信号，就提供对称布局以最大化平衡性能。在长距离路由差分信号时，将 PCB 走线靠近放置，并扭转任何差分布线，以使环路面积最小化，从而减少辐射能量并使电路更不易受到干扰。

十、高性能 ADC 驱动

ADA4927 非常适合单电源下的高增益、宽带交流耦合和差分 - 差分应用。与电压反馈放大器相比，电流反馈架构在高增益下提供更好的失真和带宽性能。例如，在驱动 AD9445 14 位、105 MSPS ADC 的电路中，ADA4927 消除了驱动 ADC 所需的变压器，实现了单端 - 差分转换和驱动信号的缓冲。通过在 ADA4927 输入和输出端进行交流耦合，可以减少噪声带宽并隔离驱动器输出与 ADC 输入。

十一、总结

ADA4927-1/ADA4927-2