使用單端運(yùn)算放大器的差分 ADC 驅(qū)動(dòng)器

　　如圖 1 所示，差分 ADC 驅(qū)動(dòng)器可以通過(guò)使用兩個(gè)單端運(yùn)算放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)。
　　圖 1.使用兩個(gè)相同的單端運(yùn)算放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)差分 ADC 驅(qū)動(dòng)器
　　通過(guò)將差分信號(hào)施加到這些相同的路徑，各個(gè)運(yùn)算放大器將產(chǎn)生相同的二次諧波分量。這些失真分量作為共模信號(hào)出現(xiàn)在 ADC 輸入端，就像任何其他共模噪聲和干擾信號(hào)一樣，將被差分 ADC 抑制。
　　在上一篇文章中，我們討論了需要對(duì)稱PCB 布局來(lái)保持兩個(gè)單端路徑相同并衰減二次諧波。在本文中，我們將討論如何布置運(yùn)算放大器的去耦電容器以實(shí)現(xiàn)最大可能的線性性能。
　　我們知道，去耦電容器充當(dāng)電荷源，并提供運(yùn)算放大器應(yīng)傳遞給負(fù)載的高頻電流。為了提供高頻差分電流，我們可以使用軌對(duì)地和軌對(duì)軌去耦電容器。
　　軌對(duì)軌與軌對(duì)地去耦結(jié)構(gòu)　　對(duì)于圖1所示的結(jié)構(gòu)，傳送到負(fù)載的電流是差分的，即當(dāng)上部運(yùn)算放大器向負(fù)載提供電流時(shí)，下部支路吸收電流，反之亦然。讓我們考慮一下上面的運(yùn)算放大器提供負(fù)載電流而下面的路徑吸收負(fù)載電流的情況。軌對(duì)地和軌對(duì)軌去耦選項(xiàng)以及電流路徑如圖 2 所示。請(qǐng)注意，在該圖中，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，未顯示放大級(jí)的電阻器。此外，假設(shè)采用具有專用接地層的多層板。

　　圖 2.軌對(duì)地 (a) 和軌對(duì)軌 (b) 去耦結(jié)構(gòu)
　　采用軌對(duì)地去耦結(jié)構(gòu)（圖2（a）），高頻電流將從正軌的旁路電容器（Cbypass1 ）流向負(fù)載，然后流向負(fù)軌的旁路電容器（C旁路2）如藍(lán)色箭頭所示。電路原理圖表明節(jié)點(diǎn) A 和 B 均位于地電平，藍(lán)色箭頭所示的路徑是電流的閉合路徑。然而，實(shí)際上，節(jié)點(diǎn) A 和 B 是接地平面上的兩個(gè)不同節(jié)點(diǎn)，電流應(yīng)從節(jié)點(diǎn) B 流向節(jié)點(diǎn) A，以形成閉合電流路徑。因此，負(fù)載電流將通過(guò)接地層提供的阻抗最小的路徑流回到Cbypass1的接地側(cè)。
　　這種結(jié)構(gòu)的挑戰(zhàn)在于，在足夠靠近負(fù)載電流返回路徑的接地平面中流動(dòng)的任何電流都可能與負(fù)載電流耦合并改變它。此外，如果負(fù)載電流返回路徑從節(jié)點(diǎn) B 到 A 出現(xiàn)任何不對(duì)稱性，ADC 驅(qū)動(dòng)器的單端路徑之間的對(duì)稱性將受到影響，并且 ADC 輸入處將出現(xiàn)較大的二次諧波?！　榱吮苊膺@些問(wèn)題，可以采用圖 2(b) 中的去耦結(jié)構(gòu)，其中在兩個(gè)電源軌之間放置一個(gè)旁路電容器。這樣，差分負(fù)載電流將遵循藍(lán)色箭頭所示的路徑，而不必流經(jīng)接地層。根據(jù)TI文檔，軌到軌旁路電容可以將二次諧波失真降低6至10dB。請(qǐng)注意，為了提供相反方向的差分負(fù)載電流，我們需要添加另一個(gè)軌至軌旁路電容器 (Cbypass4 )，如下圖 3 所示。

　　圖3
　　Cbypass4提供的負(fù)載電流路徑如藍(lán)色箭頭所示。
　　共模電流怎么樣？　　在圖1所示的結(jié)構(gòu)中，運(yùn)算放大器提供的電流主要是差分電流，并且可以由軌到軌去耦電容器提供。然而，我們?nèi)匀豢梢杂行〉墓材ｋ娏鞣至?。例如，假設(shè)噪聲分量耦合到兩個(gè)運(yùn)算放大器的非反相輸入，并略微升高這些節(jié)點(diǎn)的電壓。這將產(chǎn)生從兩個(gè)運(yùn)算放大器流出的共模電流。如圖 4 所示，此類共模電流會(huì)對(duì) PCB 走線的雜散電容充電。

　　圖4　　請(qǐng)注意，軌到軌旁路電容器無(wú)法提供這些共模電流。在圖 4 中，運(yùn)算放大器必須直接通過(guò)電源和接地導(dǎo)體提供高頻共模電流分量，這是不希望的。因此，我們需要添加軌對(duì)地旁路電容器，如圖 5 所示。

　　圖5
　　正如您所看到的，流出兩個(gè)運(yùn)算放大器的共模電流將由正電源軌和接地之間的旁路電容器（ Cbypass5和Cbypass7 ）提供。該共模電流將為走線的寄生電容充電。因此，返回電流將從寄生電容的接地側(cè)流回到接地平面中的Cbypass5和Cbypass7的接地側(cè)。類似地，兩個(gè)運(yùn)算放大器吸收的共模電流將由放置在負(fù)電源軌和接地之間的旁路電容器（ Cbypass6和Cbypass8 ）提供。
　　軌對(duì)地電容可提供共模電流和差分電流　　雖然我們添加了 Cbypass5 、 Cbypass6 、 Cbypass7和Cbypass8來(lái)提供共模電流，但這些電容器還將提供負(fù)載的一部分高頻差分電流。如圖 2(a) 所示，使用軌對(duì)地電容器可能會(huì)不必要地使差分負(fù)載電流流過(guò)接地層，這是不希望的。為了避免這種情況，我們可以放置能夠以對(duì)稱方式提供差分電流的軌對(duì)地旁路電容器，并將它們之間的走線在中點(diǎn)接地。圖 6 對(duì)此進(jìn)行了最好的圖形說(shuō)明。

　　圖6
　　上圖顯示了上部運(yùn)算放大器提供負(fù)載電流而下部路徑吸收負(fù)載電流的情況。此時(shí)，Cbypass5和Cbypass8可以提供一部分負(fù)載差動(dòng)電流。為了防止差分電流流過(guò)地平面，我們通過(guò)電路板信號(hào)層上的 PCB 走線將Cbypass5和Cbypass8的接地側(cè)連接在一起，并在中點(diǎn)（圖中的節(jié)點(diǎn) A）將該走線接地。對(duì)于差分信號(hào)，節(jié)點(diǎn) A 理論上應(yīng)該是虛擬地，并且差分電流不應(yīng)流入接地層（對(duì)于差分負(fù)載電流， I ground =0）。同樣，我們將 Cbypass6和Cbypass7彼此對(duì)稱放置，并將兩個(gè)電容器之間的走線在中點(diǎn)接地。