为数字世界寻求最佳“模拟拍档”

　　模拟与数字孰轻孰重？似乎注定永远没有答案。早在2000年，市场调查表明“每1美元微控制器将带来1.5美元的模拟产品销售额”。 如今在数字技术充斥的时代，模拟的地位更加凸显，相信其中ADC也发挥了不小的作用。

　　顾名思义，ADC（Analog to digital Converter，即模数转换器）掌握着信号进入数字世界的要道，决定了系统的整体性能和精度，但事实是，现实世界的输入源往往带有种种不理想的阻抗，仅有ADC的世界还是远远不够的。

　　因此，为ADC找到一个绝佳拍档，滤除各种不良影响，对整个系统是至关重要的，但模拟技术向来是需要精雕细琢的。

　　ADC发展的瓶颈

　　自七十年代中期以来，随着结构与工艺的不断突破，ADC的性能得到较大改善，其中包括：高转换速率、高分辨率、低失真以及开关电容输入结构、单电源工作等。一般而言，用来驱动现今高分辨率ADC的电源都是拥有数百欧姆或以上的AC或DC负载，为降低系统的整体干扰，因此，急需一个具有高输入阻抗(数百万欧姆)和低输出阻抗的放大器作为缓冲器和低通滤波器。

　　一般而言，典型信号链的前端包括用来驱动ADC的放大器、RC滤波器、ADC和微控制器或数字信号处理器(DSP)。

　　如果说ADC可能决定系统的性能或精度，那么其前端模拟电路对整个系统的性能则是至关重要的。而且，随着信号在电路板的布线和冗长电缆上传送，系统干扰会积聚在信号里，而一个差动ADC则会拒绝任何看来像共模电压的信号干扰。相比单端信号而言，差动信号可将ADC的动态范围增大一倍，同时还可提供更佳的谐波失真效能。

　　假如已经确定一个差分ADC，驱动该系统模拟输入端的方案通常有两种：

　　第一：高速度、高精度、低功耗的单端放大器解决方案。但是为了满足ADC的差分输入，一定要用多个放大器满足不同的设计要求，这样为了实现差分而引入了很多复杂的电路，增加了放大器的数量、占用了板级空间、同时衍生了放大器与电路匹配等诸多问题。所以对差分输入ADC驱动时，通常单端放大器是很难简单实现的。

　　第二：差动放大器的解决方案，该方法在信号形式上满足了差分要求，但在噪声、功耗、供电形式、设计是否简单等方面，还有待权衡。设计人员在为特定的ADC 选择驱动放大器（或缓冲器）时，必须考虑阻抗匹配、电荷注入、噪声抑制、输出精度和输出驱动能力等诸多因素。

　　因此，业界期望出现一种既可减少放大器的数量、节省板级空间、减少放大器与电路匹配问题，同时还能将功耗降至最低的方案。

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　　为数字转换铺路

　　“THS452X差动放大器系列的推出就是为了迎合这种需要，” TI (上海)模拟器件事业部业务拓展工程师王胜告诉EEWORLD。

TI (上海)模拟器件事业部业务拓展工程师王胜

　　THS452X系列是TI日前推出的针对单通道与多通道SAR (逐次逼近寄存器) 与 Δ-Σ ADC实现高精度数据转换的全差动放大器产品系列，THS4521、THS4522 以及 THS4524非常适用于需要高分辨率、高精度以及出色动态范围的应用，如压力表与流量计、测震设备以及心电图机等，而且还可满足对功率要求严格的电池供电设备与其它应用的要求。
 
　　与同类竞争产品相比，其静态流耗仅为一半（单位通道为 1.14 mA），而断电电流可降低 22 倍 (20 uA)，该性能改善了以往差动放大器功耗高的弊端。在带宽越宽，越难权衡放大器各个方面指标的情况下，THS452X系列产品可将带宽提高超过30%，并支持145 MHz 与490 V/us 的压摆率，而且无需提高系统功耗即可缓冲并放大信号。同时可在输入电压噪声仅为 4.6nV/rtHz 的情况下将动态范围／灵敏度提高 44%，实现最小化失真。

　　除了以上通用指标外，要实现差分放大器与ADC的连接，不但要满足信号峰值或信号幅度要求，还要满足共模电压的要求，否则，会导致信号不对或者精度变差。所以THS452X系列的一个输入端可以把后端ADC的共模信号引过来，从而控制前端差动放大器的共模水平和共模级别，这样差模信号在提取信息时精度就不会出现问题。这样，输出共模控制可实现便捷的DC耦合，而负轨输入与轨至轨输出功能则可简化设计工作，缩短开发时间；

　　该系列产品既接受 +3 V 至 +5 V 的单电源供电，也接受 +/-1.5 V 至 +/- 2.5 V 的双电源供电，可实现电源的高灵活性。

　　“单通道产品不仅仅TI有，但如此低功耗的双通道以及四通道产品其他厂商是没有的，”王胜介绍。当你使用多通道ADC时，一个调理电路是不行的，而此时多通道的特性就可以发挥作用，从而能够有效节省板级空间。

　　THS452x 器件使客户可驱动包括 TI ADS8317 16 位 250 kSPS SAR 转换器与ADS1278 24 位 128 kSPS Δ-Σ 转换器在内的差动 ADC，实现数据表特定的性能水平。例如，如果采用 THS4521 为 ADS1278 提供缓冲，输入频率为 10 kHz 时，信噪比 (SNR) 为 102 dB，无杂散动态范围 (SFDR) 为 110 dBc，而且静态电流极低，从而可降低系统功耗。 

　　THS452x 系列的封装如下：

　　系统设计上的考虑无非是精度、功耗、板级空间、设计周期等等，王胜介绍，但“像THS452x 器件能够将整个性能集一身市场上也是没有的。”

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　　差动放大器之争鸣

　　“差动放大器本身并不是一个新鲜概念，”王胜继续说到。在此之前，TI已经有很多差动放大器产品。包括同为THS452X系列的THS4520，该器件是2006年推出的用于驱动高分辨率、高速ADC的解决方案，能够提供轨至轨输出、保持低噪声与最低失真等特性，支持包括无线通信、测量与测试以及医学成像等多种要求苛刻的应用。

　　下图为TI的全差动放大器产品阵营：

　　其中，横轴代表带宽，目前最高已经达到2GHz；纵轴表示输入电压噪声，颜色的深浅代表不同的电压输入范围。综合来看，THS452x系列的性能居中。但一旦在应用中需要多通道，该器件的性能就会得到凸显，从图中也可以看出，这也是TI第一次推出多通道的差动放大器。　　
　　>>TI差动放大器产品系列

　　在转换器领域，与TI一样实力雄厚的ADI也表现不俗，在2007年11月推出了双差分ADC驱动器ADA4937-2以及ADA4938-2，并且能够以介于dc到100MHz的范围来驱动高性能ADC。在2008年7月又推出了推出专为驱动当今的14bit和16bit转换器而优化放大器产品ADA4939。在接下来的11月，ADI又推出了一款高速差分放大器——ADA4927，同样分为单通道和双通道版本，适合于驱动功耗敏感的通信和仪器仪表系统中的高增益模数转换器(ADC)。从推出新品的速度及性能看，是TI THS452x系列强有力的竞争对手。
　　>>ADI差分放大器产品系列

　　同时，专注于能效的凌力尔特和NS（美国国家半导体）公司的表现也可圈可点。
　　>>凌力尔特差分放大器产品系列
      >>NS差分放大器产品系列

　　此次TI推出的THS452X系列产品静态流耗仅为一半（单位通道为 1.14 mA），而断电电流可降低 22 倍 (20 uA)；同时带宽提高超过 30%，支持 145 MHz 与 490 V/us 的压摆率。还可在输入电压噪声仅为 4.6nV/rtHz 的情况下将动态范围／灵敏度提高 44%。

　　也恰恰是通过这种性能、功耗、板级空间等指标之间的不断平衡，模拟工程师们依靠着自己多年的设计经验，设计出具有“艺术”的产品，从而为更高速的ADC需求“最佳拍档”。