低功耗低成本差分ADC驱动器AD8137的深度剖析

在当今对功耗和成本极为敏感的系统设计中，一款性能卓越的差分驱动器至关重要。AD8137作为一款低功耗、低成本的差分驱动器，凭借其出色的特性和广泛的应用场景，成为了众多工程师的首选。本文将对AD8137进行全面深入的分析，为工程师们在实际应用中提供有价值的参考。

文件下载：AD8137.pdf

一、AD8137的特性亮点

1. 低功耗设计

AD8137具有极低的功耗，在5V电源下，静态供电电流仅为2.6mA，而在掉电模式下，电流更是低至450µA。这种低功耗特性使得它在电池供电的应用中表现出色，能够有效延长设备的续航时间。例如，在便携式仪器和电池供电的应用场景中，低功耗可以减少电池的更换频率，提高设备的使用便利性。

2. 高速性能

它具备高速响应能力，110MHz的大信号3dB带宽（增益G = 1时）和450V/µs的压摆率，能够快速准确地处理高频信号。在高速信号处理的应用中，如视频放大器和高速数据采集系统，AD8137可以保证信号的完整性和准确性。

3. 高精度表现

在精度方面，AD8137也毫不逊色。它具有低输入失调电压（最大±2.6mV）和低输入失调电流（最大0.45µA），能够有效减少信号处理过程中的误差。在对精度要求较高的12位系统中，其12位无杂散动态范围（SFDR）性能在500kHz时表现出色，确保了信号的高质量处理。

4. 灵活的输入输出模式

支持差分输入和输出，以及差分转差分或单端转差分的操作模式，并且输出为轨到轨输出，输出共模电压可调，增益也可通过外部进行调整。这种灵活性使得它能够适应各种不同的应用场景，满足多样化的设计需求。

5. 宽电源电压范围

电源电压范围为2.7V至12V，这使得它可以在不同的电源环境下稳定工作，增加了其在各种系统中的适用性。

6. 小型封装与汽车应用资质

采用小型SOIC封装，节省了电路板空间。同时，它还通过了汽车应用的认证，适用于汽车视觉和安全系统、汽车信息娱乐系统等汽车相关领域。

二、工作原理详解

AD8137是一款全差分电压反馈放大器，采用两个反馈回路分别控制差分和共模反馈。差分增益由外部电阻设置，输出共模电压由内部反馈回路控制，通过VOCM输入引脚的电压来设定。

1. 输入跨导级与带宽

输入跨导级是一个H桥，其输出电流镜像到高阻抗节点CP和CN。放大器的3dB点由公式[BW=frac{g{m}}{2pitimes C{C}}]确定，其中(g{m})是输入级的跨导，(C{C})是节点CP/CN上的总电容。对于AD8137，输入级(g{m})约为1mA/V，电容(C{C})为3.5pF，使得放大器的交叉频率为41MHz。不过，其闭环带宽还取决于反馈电阻的值。

2. 共模反馈回路

共模反馈放大器ACM对输出共模电压进行采样，并通过负反馈使输出共模电压等于VOCM输入引脚的电压。当VOCM输入引脚悬空时，输出共模电压约为电源电压的中间值。该反馈回路能够在宽频率范围内产生高度平衡的输出，无需紧密匹配的外部组件。

三、应用信息分析

1. 典型应用连接与参数定义

在典型应用中，使用匹配的外部RF/RG网络。差分输入端子作为求和节点，VOCM端子上的外部参考电压设定输出共模电压。输出端子VOP和VON会根据输入信号以平衡的方式反向移动。

2. 输出平衡与相关计算

输出平衡是衡量VOP和VON幅度匹配程度以及相位相差180°的指标。通过内部共模反馈回路，可使输出共模电压的信号分量为零，从而实现近乎完美平衡的差分输出。输出平衡的计算公式为[Output Balance =left|frac{Delta V{O, cm}}{Delta V{O, dm}}right|]。

3. 噪声、增益和带宽估算

噪声估算

总输出噪声由多个独立源的噪声平方和的平方根决定。输入电压噪声、输入电流噪声以及外部反馈网络都会对差分输出电压噪声产生影响。具体计算公式如下：

• 输入电压噪声谱密度的贡献：[Vo_n1 = v{n}left(1+frac{R{F}}{R_{G}}right)]
• 输入电流噪声的贡献：[Vo_n2 = i{n}left(R{F}right)]
• (R{G})的贡献：[Vo_n3=sqrt{4kTR{G}}left(frac{R{F}}{R{G}}right)]
• (R{F})的贡献：[Vo_n4=sqrt{4kTR{F}}]

电压增益计算

对于单端转差分输出拓扑，电压增益关系为[V{O, dm}=frac{R{F}}{R{G}}V{i}]。反馈因子β定义为[betaequivfrac{R{G}}{R{F}+R_{G}}]，在分析差分驱动器时非常有用。

带宽与闭环增益关系

AD8137的3dB带宽与闭环增益成反比，类似于传统电压反馈运算放大器。对于闭环增益大于4的情况，带宽可估算为[f{-3dB}, V{O, dm}=frac{R{G}}{R{G}+R_{F}}times(72MHz)]。

4. 直流误差估算

主要的差分输出失调误差由输入失调电压、输入电流与反馈网络电阻的相互作用以及输入和输出共模电压的直流电压差与反馈网络匹配误差共同产生。具体计算公式如下：

• 输入失调电压引起的误差：[Vo_e1 = V{IO}left(frac{R{F}+R{G}}{R{G}}right)]
• 输入失调电流引起的误差：[Vo_e2 = I{IO}left(R{F}right)]
• 共模电压差引起的误差：[Vo_e3=Delta enrtimes(V{ICM}-V{OCM})]

5. 驱动电容负载与布局考虑

驱动电容负载时，由于电容负载与AD8137的键合线和引脚电感相互作用，可能会导致瞬态响应中的高频振铃和相位裕度损失。为了减小这种影响，可以在每个输出端串联一个小电阻。在布局方面，应遵循标准的高速PCB布局原则，使用实心接地平面，并在电源引脚附近放置良好的宽带电源去耦网络。

6. 单端输入端接与掉电功能

在高速信号应用中，需要对单端输入进行正确端接。AD8137的PD引脚可用于在设备不使用时降低静态电流，PD引脚内部有上拉网络，可确保正常工作。但在±5V应用中，不要将PD引脚直接连接到Vs，以免导致放大器消耗过多电源电流并引发振荡或稳定性问题。

四、驱动更高位数ADC的性能测试

为了测试AD8137在更高位数系统中的性能，使用16位、250KSPS的AD7687 ADC进行测试。将AD8137设置为增益为2，并通过20kHz带通滤波器进行单端驱动，输出差分接入AD7687的输入。在不同的电源电压和输入范围下进行测试，结果显示AD8137在这些测试中表现出了良好的性能。

五、总结

AD8137以其低功耗、高速、高精度和灵活的输入输出模式等特性，成为了差分ADC驱动器领域的佼佼者。通过对其工作原理、应用信息的深入分析，工程师们可以更好地利用它的优势，设计出性能更优、成本更低的系统。在实际应用中，还需要根据具体的设计需求，合理选择参数和布局，以充分发挥AD8137的性能。你在使用AD8137的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。