设计目标

设计说明

这款航天级电路设计展示了一个单端转差分 (SE-to-Diff) ADC 驱动器，该驱动器使用 LMH5485-SEP 和一个共模电压为 0.95V、输入范围为 3.2Vpp 的模数转换器 (ADC)。LMH5485-SEP 是一款航天级、低功耗、高速全差分放大器，主要用于驱动高性能 ADC。高性能 ADC 是低噪声、超低功耗、高速、双通道器件，用于多种航天应用，其中包括：成像、光谱分析、雷达、控制环路、仪表等。由于 ADC 接受差分信号，因此在设计电路时，相较于使用两个运算放大器，全差分放大器 (FDA) 是一个更好的选择。除了提供平衡的输出信号外，FDA 还具有其他出色优势。其中一些优势包括：

下图显示了完整的电路设计。

完整的单端转差分 ADC 驱动器电路

上图中所示的电路从具有 50Ω 源电阻的单端交流电源开始。此电源为 LMH5485 全运算放大器供电。根据反馈电阻器的值，放大器的增益为 3.2。然后，FDA 的输出进入截止频率为 4MHz 的三阶无源巴特沃斯低通滤波器，接着进入 ADC 的输入端。

设计步骤

1. 需要两个电源来为 FDA、VCC 和 VEE 供电。VCC 设置为 5V，而 VEE 设置为 -300mV。此 FDA 需要在输入轨上有 0.2V 至 0.3V 的余量，因此 VEE 设置为 -300mV。
2. 确定放大器的源电阻、增益和输入信号。对于此设计，期望的源电阻为 50Ω、增益为 3.2、输入信号为 2Vpp。仿真结果表明，当没有端接电阻器时，50Ω 源电阻将输入电压一分为二；因此，电源电压为 2Vpp。实际上，在连接 50Ω 源电阻之后电压是 1Vpp。为了实现阻抗匹配电路，Rg1 可以与源电阻器匹配，因此 Rg1 为 50Ω。
3. 使用接下来的三个公式计算 Rg2：
   $Rg2=(Rt//Rs)+Rg1$
   $Rg2=\left({\left(\frac{1}{Rt}+\frac{1}{Rs}\right)}^{-1}\right)+Rg1$

   由于未使用端接电阻器 (Rt)，将 Rt 视为无穷大；因此，1/Rt 可以抵消掉。

   $Rg2= {\left(\frac{1}{Rs}\right)}^{-1}+Rg1 = {\left(\frac{1}{50 \mathrm{\Omega }}\right)}^{-1}+50 \mathrm{\Omega }=100\mathrm{ }\mathrm{\Omega }$

   如公式所示，Rg2 始终是 Rg1 电阻器值的两倍。

4. 根据计算出的值，可以确定反馈电阻器 (Rf) 的值。
   $Rg1=\frac{2\frac{Rf}{\mathrm{A)}v}-Rs}{1+\frac{Rs}{Rt}}$

   如设计步骤 4 中所示，由于未使用端接电阻器 (Rt)，因此这个分数的分母等于 1。可以重新排列这个方程式来求解 Rf。更新后的公式如下：

   $Rf=\frac{G\times (Rs+Rg1)}{2}= \frac{3.2\times (50+50)}{2}=160 \mathrm{\Omega }$
5. 设计完 FDA 级之后，创建三阶无源巴特沃斯低通滤波器 (LPF)。截止频率为 2MHz；不过，在 4MHz 下计算 LPF，确保 2MHz 信号保持高于 -3dB。以下公式用于计算 LPF 的元件值：
   $fc=\frac{1}{2\pi \sqrt{L\times C1\times C2}}$

   将所有元件放在一起后，4MHz 三阶无源巴特沃斯低通滤波器 展示了完整的滤波器。由于此设计是差分设计，因此两个输出轨上都可以有电阻器和电感器。因此，每个输出轨的电阻器和电感器的值会除以二。滤波器的输入电阻器为 100Ω。名为“ADC Load”的输出电阻器是虚拟负载，表示不属于滤波器的内部 ADC 负载。

   4MHz 三阶无源巴特沃斯低通滤波器

设计仿真

V_IN 和 V_OUT 波形

单端 V_IN 与差分 V_OUT 波形 展示了 FDA 的输入和输出。黄色是输入源，红色是正输出，绿色是负输出。输入为 2Vpp（在使用源极电阻器之后为 1Vpp），正负输出摆幅为 1.6Vpp。将两个正负差分信号结合在一起，使输出摆幅为 3.2Vpp。请注意，输出的共模电压为 0.95V。

单端 V_IN 与差分 V_OUT 波形

增益和相位波特图 展示了二阶无源低通滤波器的增益和相位图。如下图所示，截止频率为 4MHz。这样做是为了使 2MHz 的实际截止频率保持在 -3dB 增益以上。

增益和相位波特图

稳定性

放大器的相位裕度是放大器增益大于 0dB 时的相移量。开环增益降至低于 0dB 或相位裕度降至低于 60 度时，放大器将被视为不稳定。在本例中，开环增益在 314.84MHz 后降至 0 以下，相位裕度为 63.33 度，如稳定性增益和相位波特图 所示。由于放大器仅在 2MHz 的频率下工作，这对于该应用来说已经足够。

稳定性增益和相位波特图

实施 FDA 是为 ADC 供电的高效方法。元件数量减少以及对外部噪声和偶次谐波的抗阻增加，这是 FDA 带来的一些出色优势。FDA 乍一看可能会令人生畏，但在深入了解设计步骤后，您会发现这个过程非常容易掌握。在此设计中，FDA 在 0.95V 的共模电压下输出期望的 3.2Vpp 输出。FDA 之后的低通滤波器具有 4MHz 的截止频率，并且因为它是三阶滤波器，截止频率非常尖锐，从而可以去除通过频率的任何不需要的谐波。

附加资源

• 米6体育平台手机版_好二三四 (TI)，LMH5485-SEP 采用航天级增强型塑料的抗辐射、850MHz 全差分放大器米6体育平台手机版_好二三四页面
• 米6体育平台手机版_好二三四 (TI)，LMH5485-SEP 抗辐射、负轨输入、轨到轨输出、850MHz 全差分精密放大器 数据表
• 米6体育平台手机版_好二三四 (TI)，全差分放大器的输入阻抗匹配模拟设计期刊
• 米6体育平台手机版_好二三四 (TI)，高速数据采集系统中的全差分放大器设计模拟设计期刊
• 米6体育平台手机版_好二三四 (TI)，全差分放大器应用手册