高速电流输出DAC缓冲器 - 全文

变压器通常被认为是将高速电流输出DAC的互补输出转换为单端电压输出的最佳选择,因为变压器不会增加噪声,也不会消耗功率.尽管变压器在高频信号下表现良好,但它们无法处理许多仪表和医疗应用所需要的低频信号.这些应用要求一个低功耗、低失真、低噪声的高速放大器,以将互补电流转换成单端电压.此处展示的三个电路接受来自DAC的互补输出电流,并提供单端输出电压.将后两者的失真与变压器解决方案进行比较.

差分放大器: AD8129和AD8130差分转单端放大器（图15）用于第一个电路（图16）.它们在高频下具有极高的共模抑制性能.AD8129在增益为10或以上时保持稳定,而AD8130则在单位增益下保持稳定.它们的用户可调增益可以由, RF 和 RG.两个电阻的比值来设置.AD8129和AD8130在引脚1和引脚8上具有很高的输入阻抗,不受增益设置的影响.基准电压 (VREF, 引脚4)可以用来设置偏置电压,该偏置电压被乘以与差分输入电压相同的增益.

图15. AD8129/AD8130差动放大器

图16. 采用AD8129/AD8130的DAC缓冲器

方程1和方程2所示为放大器的输出电压与DAC的互补输出电流之间的关系.端接电阻RT,执行电流-电压转换；RF 与RG之比决定了增益. VREF 在方程2中被设为0.

(1)

 

(2)

在图16中,该电路采用一个四通道高速、低功耗、14位DAC,其中,互补电流输出级将提高速度,降低低功耗DAC的失真.

图17展示的是电路的无杂散动态范围(SFDR),它是频率的函数,采用DAC和AD8129,其中,RF = 2kΩ, RG = 221Ω, RT = 100Ω, 且VO = 8Vp-p, 两个电源电压对应的不同值.此处选择了AD8129,因为它提供较大的输出信号,在G = 10时保持稳定,与AD8130相比,具有较高的增益带宽积.两种情况下,SFDR一般都要好于55dB,超过10MHz,在低电源电压下,约有>3dB的改善.

图17. DAC和AD8129的失真 VO = 8 V p-p

单位增益下的运算放大器: 第二个电路（图18）采用了一个高速放大器与两个 RT电阻.该放大器只是通过, RT将互补电流I1和 I2, 转换成单端输出电压, VO这个简单的电路不允许以放大器为增益模块放大信号.

图18. 采用运算放大器的简单差分到单端转换器

方程3所示为VO 与DAC输出电流之间的关系.失真数据通过与RT并联的5pF电容进行测量

(3)

为了展示这个电路的性能,DAC与ADA4857 和 ADA4817 运算放大器配对,其中T = 125Ω (and CT = CF = 5 pF与RT 并联,以实现稳定性和低通滤波）.单通道ADA4857-1和双通道ADA4857-2为单位增益稳定型、高速、电压反馈放大器,具有低失真、低噪声和高压摆率等特点.作为众多应用（包括超声、ATE、有源滤波器、ADC驱动器等）的理想解决方案,其带宽为850 MHz,压摆率为2800 V/μs,0.1%建立时间为10ns——全部都是在5mA的静态工作电流下实现.ADA4857-1和ADA4857-2具有宽工作电压范围（5V至10V）,特别适合需要宽动态范围、精密、高速度和低功耗的系统

ADA4817-1（单通道）和ADA4817-2（双通道）FastFET?放大器是具有FET输入的单位增益稳定、超高速电压反馈型运算放大器.它们采用ADI公司的专有超快速互补双极性(XFCB)工艺制造,具有超低的噪声（4nV/√Hz和2.5fA/√Hz）和极高的输入阻抗.其输入电容为1.3pF,最大失调电压为2mV,功耗低(19mA),−3dB带宽较宽(1050MHz),非常适合数据采集前端、光电二极管前置放大器以及其他宽带跨阻应用.它们具有5V至10V的宽电源电压范围,可采用单电源或双电源供电,适合包括有源滤波、ADC驱动和DAC缓冲在内的各种应用.

图19比较了该电路在VO = 500mV p-p 时相对于一个采用变压器的电路的失真和频率之间的关系.变压器的失真低于放大器,后者的增益在高频下不断下降,但采用变压器的失真却在低频下不断变差.在此,可在有限范围内实现接近90dB的SFDR,在高达10MHz时优于70dB.

图19. DAC、ADA4857和ADA4817的失真 VO = 500 mV p-p, RL = 1 kΩ

具有增益运算放大器: 第三个电路（图20）也使用了相同的高速运算放大器,但所含电阻网络拉远了放大器与DAC之间的距离,支持增益设置,并可以利用VREF1和 VREF2两个基准电压之一调整输出偏置电压.

图20. 支持增益和偏置功能的差分到单端转换

方程4定义了DAC输出电流与放大器输出电压在 VREF1 = VREF1 = 0. 时的关系.为了匹配DAC之外的放大器网络的输入阻抗RT1 和 RT2, 两个端接电阻必须单独设置,同时要考虑放大器的特性.

(4)

图21比较了放大器在这种配置下的失真以及变压器电路的失真. RT1 = 143Ω, RT2 = 200 Ω,RF = RG = 499Ω, CF = 5pF出于稳定性和高频滤波考虑——且 RL = 1kΩ. 在此ADA4817的性能可与变压器在高频下的性能相媲美,在最高70MHz时,其SFDR可维持在优于-70dBc的水平.与变压器相比,两个运算放大器都能维持出色的低频保真.

图21. DAC、ADA4817和ADA4857的失真 VO = 500 mV p-p

本文讨论了将低失真、低噪声、高速放大器用作DAC缓冲器的一些优势,并将其性能与变压器进行了比较.同时比较了采用两种不同架构的三类应用电路,并以实例展示了DAC和AD8129、ADA4857-1/ADA4857-2以及ADA4817-1/ADA4817-2放大器的测量数据.数据显示,放大器在频率低于1MHz时的性能优于变压器,在频率不超过80 MHz时,非常接近变压器.在权衡考虑功耗和失真时,放大器的选择非常重要.