使用單端運算放大器的差分 ADC 驅(qū)動器

　　如圖 1 所示，差分 ADC 驅(qū)動器可以通過使用兩個單端運算放大器來實現(xiàn)。
　　圖 1.使用兩個相同的單端運算放大器來實現(xiàn)差分 ADC 驅(qū)動器
　　通過將差分信號施加到這些相同的路徑，各個運算放大器將產(chǎn)生相同的二次諧波分量。這些失真分量作為共模信號出現(xiàn)在 ADC 輸入端，就像任何其他共模噪聲和干擾信號一樣，將被差分 ADC 抑制。
　　在上一篇文章中，我們討論了需要對稱PCB 布局來保持兩個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算放大器的去耦電容器以實現(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，我們可以使用軌對地和軌對軌去耦電容器。
　　軌對軌與軌對地去耦結(jié)構(gòu)　　對于圖1所示的結(jié)構(gòu)，傳送到負(fù)載的電流是差分的，即當(dāng)上部運算放大器向負(fù)載提供電流時，下部支路吸收電流，反之亦然。讓我們考慮一下上面的運算放大器提供負(fù)載電流而下面的路徑吸收負(fù)載電流的情況。軌對地和軌對軌去耦選項以及電流路徑如圖 2 所示。請注意，在該圖中，為簡單起見，未顯示放大級的電阻器。此外，假設(shè)采用具有專用接地層的多層板。

　　圖 2.軌對地 (a) 和軌對軌 (b) 去耦結(jié)構(gòu)
　　采用軌對地去耦結(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）如藍色箭頭所示。電路原理圖表明節(jié)點 A 和 B 均位于地電平，藍色箭頭所示的路徑是電流的閉合路徑。然而，實際上，節(jié)點 A 和 B 是接地平面上的兩個不同節(jié)點，電流應(yīng)從節(jié)點 B 流向節(jié)點 A，以形成閉合電流路徑。因此，負(fù)載電流將通過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 B 到 A 出現(xiàn)任何不對稱性，ADC 驅(qū)動器的單端路徑之間的對稱性將受到影響，并且 ADC 輸入處將出現(xiàn)較大的二次諧波?！　榱吮苊膺@些問題，可以采用圖 2(b) 中的去耦結(jié)構(gòu)，其中在兩個電源軌之間放置一個旁路電容器。這樣，差分負(fù)載電流將遵循藍色箭頭所示的路徑，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)載電流路徑如藍色箭頭所示。
　　共模電流怎么樣？　　在圖1所示的結(jié)構(gòu)中，運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運算放大器的非反相輸入，并略微升高這些節(jié)點的電壓。這將產(chǎn)生從兩個運算放大器流出的共模電流。如圖 4 所示，此類共模電流會對 PCB 走線的雜散電容充電。

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

　　圖5
　　正如您所看到的，流出兩個運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，兩個運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，使用軌對地電容器可能會不必要地使差分負(fù)載電流流過接地層，這是不希望的。為了避免這種情況，我們可以放置能夠以對稱方式提供差分電流的軌對地旁路電容器，并將它們之間的走線在中點接地。圖 6 對此進行了最好的圖形說明。

　　圖6
　　上圖顯示了上部運算放大器提供負(fù)載電流而下部路徑吸收負(fù)載電流的情況。此時，Cbypass5和Cbypass8可以提供一部分負(fù)載差動電流。為了防止差分電流流過地平面，我們通過電路板信號層上的 PCB 走線將Cbypass5和Cbypass8的接地側(cè)連接在一起，并在中點（圖中的節(jié)點 A）將該走線接地。對于差分信號，節(jié)點 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（對于差分負(fù)載電流， I ground =0）。同樣，我們將 Cbypass6和Cbypass7彼此對稱放置，并將兩個電容器之間的走線在中點接地。