超低失真差分 ADC 驱动器 ADA4938-1/ADA4938-2 深度解析

作为电子工程师，在进行硬件设计开发时，选择合适的 ADC 驱动器至关重要。今天我们就来详细探讨一下 Analog Devices 推出的超低失真差分 ADC 驱动器 ADA4938-1/ADA4938-2，希望能为大家的设计工作带来一些启发。

文件下载：ADA4938-2.pdf

1. 产品特性亮点

1.1 超低谐波失真

ADA4938-1/ADA4938-2 在谐波失真方面表现出色。在 10 MHz 时，HD2 低至 -106 dBc，HD3 低至 -109 dBc；在 50 MHz 时，HD2 和 HD3 也能达到 -82 dBc。如此低的谐波失真，能有效减少信号失真，提高信号质量，在对信号纯度要求较高的应用中具有明显优势。

1.2 低输入电压噪声

其输入电压噪声仅为 2.6 nV/√Hz，这使得在处理微弱信号时，能够最大程度地减少噪声干扰，保证信号的准确性。

1.3 高速性能

• -3 dB 带宽可达 1000 MHz（G = +1），能满足高速信号处理的需求。
• 压摆率高达 4700 V/µs，可快速响应信号的变化。
• 0.1 dB 增益平坦度可到 150 MHz，确保在较宽的频率范围内信号增益稳定。
• 4 ns 的快速过载恢复时间，能够在信号过载后迅速恢复正常工作。

1.4 其他特性

• 典型失调电压仅 1 mV，保证了输出信号的准确性。
• 增益可外部调节，方便根据不同的应用场景进行灵活配置。
• 支持差分 - 差分或单端 - 差分操作，以及可调输出共模电压，适应性强。
• 宽电源电压范围为 +5 V 到 ±5 V，可适应多种电源环境。
• 有单放大器（ADA4938-1）和双放大器（ADA4938-2）两种配置可供选择。

2. 应用领域广泛

该驱动器的特性决定了它在众多领域都有出色的表现：

• ADC 驱动：是驱动高性能 ADC 的理想选择，可用于分辨率高达 16 位（dc 到 27 MHz）或 12 位（dc 到 74 MHz）的 ADC。
• 单端 - 差分转换：能轻松实现单端信号到差分信号的转换，满足一些对差分信号有要求的应用。
• IF 和基带增益块：可用于中频和基带信号的放大和处理。
• 差分缓冲：提供差分信号的缓冲功能，增强信号的驱动能力。
• 线路驱动：适用于线路信号的驱动，提高信号的传输能力。

3. 技术细节剖析

3.1 电路架构与工作原理

ADA4938-1/ADA4938-2 采用了独特的架构，与传统运算放大器不同，它有两个输出电压方向相反的输出端。通过开环增益和负反馈，将输出电压控制在期望的范围内。同时，采用了两个反馈环路来分别控制差分输出电压和共模输出电压，这种架构使得输出在宽频率范围内具有高度平衡性，且无需紧密匹配的外部组件。

3.2 性能参数分析

在不同的工作条件下，如双电源和单电源操作，ADA4938-1/ADA4938-2 都有详细的性能参数。例如，在双电源操作（ (T{A}=25^{circ}C) ，+Vs = 5V，-Vs = -5V ）时，-3 dB 小信号带宽可达 1000 MHz，输入电压噪声为 2.6 nV/√Hz ；在单电源操作（ (T{A}=25^{circ}C) ，+Vs = 5V，-Vs = 0V ）时，也有相应的性能表现。这些参数为我们在设计电路时提供了重要的参考依据。

3.3 增益设置与噪声估计

• 增益设置：差分模式增益可通过公式 (frac{V{OUT, d m}}{V{I N, d m}}=frac{R{F}}{R{G}}) 确定，前提是输入电阻 (R{G}) 和反馈电阻 (R{F}) 两侧相等。
• 噪声估计：可使用噪声模型估算差分输出噪声，输入参考噪声电压密度、噪声电流等因素都会对输出噪声产生影响。通过合理选择电阻值和优化电路布局，可以降低输出噪声。

3.4 输入阻抗与共模电压范围

• 输入阻抗：对于平衡差分输入信号，输入阻抗 (R{IN, dm}=2 ×R{G}) ；对于不平衡单端输入信号，输入阻抗计算公式为 (R{I N, c m}=left(frac{R{G}}{1-frac{R{F}}{2 timesleft(R{G}+R_{F}right)}}right)) 。
• 输入共模电压范围：在单电源应用中，输入共模电压范围从 -Vs + 0.3 V 到 +Vs - 1.6 V ，设计时需注意信号电压摆动应在此范围内，以避免输出削波。

4. 设计注意事项

4.1 布局与接地

作为高速器件，ADA4938-1/ADA4938-2 对 PCB 环境敏感。设计时应确保有一个大面积的实心接地平面，但在反馈电阻 (R{F}) 、输入增益电阻 (R{G}) 和输入求和节点附近应清除所有接地和电源平面，以减少杂散电容，防止放大器在高频时响应出现峰值。

4.2 电源旁路

电源引脚应尽可能靠近器件进行旁路，并直接连接到附近的接地平面。建议使用高频陶瓷贴片电容，每个电源使用两个并联的旁路电容（1000 pF 和 0.1 μF），将 1000 pF 电容置于更靠近器件的位置。如果距离较远，还需使用 10 μF 钽电容从每个电源到地进行低频旁路。

4.3 信号路由

信号路由应短而直接，以避免寄生效应。对于互补信号，应提供对称布局，以最大化平衡性能。在长距离路由差分信号时，应使 PCB 走线靠近并绞合任何差分布线，以减少环路面积，降低辐射能量，提高电路抗干扰能力。

5. 实际应用案例

5.1 驱动 AD9446 ADC

在驱动 16 位、80 MSPS 的 AD9446 ADC 时，ADA4938-1/ADA4938-2 采用 10 V 单电源和单位增益配置，实现单端输入到差分输出的转换。通过 61.9 Ω 终端电阻提供 50 Ω 源端匹配，输出通过二阶低通滤波器与 ADC 直流耦合，有效减少放大器的噪声带宽，并将驱动器输出与 ADC 输入隔离。

5.2 驱动 AD9246 ADC

在驱动 14 位、125 MSPS 的 AD9246 ADC 时，ADA4938-1/ADA4938-2 采用 ±5 V 双电源和 ~2 V/V 增益配置。76.8 Ω 终端电阻提供 50 Ω 直流终端匹配，输出通过单极低通滤波器与 ADC 直流耦合，同时将 (V_{OCM}) 引脚连接到 AD9246 的 CML 引脚，设置输出共模电平。

6. 总结

ADA4938-1/ADA4938-2 凭借其超低失真、低噪声、高速等优异特性，以及广泛的应用领域和灵活的配置选项，成为电子工程师在 ADC 驱动设计中的优秀选择。在实际设计过程中，我们需要充分了解其技术细节和设计注意事项，结合具体应用场景进行优化设计，以发挥其最佳性能。大家在使用过程中有没有遇到过什么问题呢？欢迎在评论区留言分享。