驱动 ADC：放大器还是平衡-非平衡变压器？ - 全文

平衡-不平衡变压器常用于将单端信号转换为差分信号，其可在不增加噪声的同时保持优良的失真指标。用于高速、差分输入模数转换器 (ADC) 的驱动器电路就是一个常见的例子。

您有没有考虑过采用差分放大器来替代 RF/IF 信号链路中的平衡-不平衡变压器呢？如果没有，那么您应该考虑一下。虽然它们并不适用于所有的应用，但是全差分放大器 (FDA) 提供了一些优于平衡-不平衡变压器的长处。

这里我们列出一些问题，通过回答这些问题可帮助您确定最适合您的设计的是平衡-不平衡变压器还是 FDA。

您的应用需要 DC 去耦吗？

平衡-不平衡变压器始终只进行 AC 去耦。假如您的应用需要 DC 去耦，那么最佳的选择是采用支持 DC 去耦的 FDA。

您的应用存在空间上的限制吗？

FDA 是集成电路。因此，与平衡-不平衡变压器相比，FDA 的设计、制造和封装其占板面积和高度要小得多。作为占板面积分析的一部分，您还应当考虑到这样一点：在某些场合中单个 FDA 能够完成两个大得多的采用背对背配置（以降低偶次谐波失真）的平衡-不平衡变压器所承担的任务。

您的信号路径在接收器中的这一级上需要功率增益吗？

平衡-不平衡变压器不能提供功率增益。而且，当提供电压增益时，它们在升压型电压配置（采用匝数比来产生电压增益）中受制于系统的阻抗。这就使得难以在使用所需的滤波器阻抗的同时获得期望的匝数比电压增益。事实上，平衡-不平衡变压器往往具有插入损耗。FDA 在阻抗变换中提供了真正的信号增益和灵活性。

ADC 和 / 或滤波器需要缓冲吗？

平衡-不平衡变压器不能对来自电源的阻抗进行缓冲。在存在来自 ADC 输入采样 / 保持电路的回踢干扰能量、或者也许所选的滤波器即将引起负载难题的场合，这一点特别有意义。FDA 提供了此类优势，从而使您能够灵活地针对所需的确切电压增益进行电路的配置，同时驱动所选的阻抗并缓冲来自电源的负载。

您是否关心放大器中的转换速率呢？

尽管平衡-不平衡变压器通常不会对转换速率施加很大的限制，但是差分放大器同样无须限制转换速率。LMH5401 FDA 能够支持大于 17,500 V/μs 的转换速率和 80 ps 的上升时间。

您是否因为平衡-不平衡变压器是无源组件就认为它是适合您系统的最佳选择呢？

虽然平衡-不平衡变压器是无源组件且不消耗功率，但是由于位于 ADC 之前的下变频接收器和滤波器中的信号损耗、甚至是平衡-不平衡变压器自身中的损耗，导致在许多情况下都需要布设一个 IF 增益级。FDA 将提供您所需要的 IF 增益，并有可能免除平衡-不平衡变压器。

FDA 会增加噪声吗？

相比于平衡-不平衡变压器，使用 FDA 将增加信号路径的噪声，但是在很多场合中无论如何您都需要一个 IF 放大器。通常，RF LNA 将设定噪声性能。

FDA 会限制失真性能吗？

许多设计人员都偏爱使用平衡-不平衡变压器，因为他们认为其失真性能优于放大器。在非常高的频率下（＞＞1 GHz）这或许是正确的，但是诸如 TI 等放大器制造商则提供了在很多常用频率下（尤其是在 DC 至 1 GHz 的频率范围内）拥有优于平衡-不平衡变压器的幅度平衡和失真指标的 FDA。

比如，我们的 LMH5401 FDA 可在 100 MHz 频率下提供 ＞60dBc 的平衡误差，而在 1 GHz 频率下则接近 50dBc。这提供了大约 100dBc（在 100 MHz）和大约 60dBc（在 1 GHz）的谐波失真。请参见图 1，以了解有关幅度平衡误差的更多详情。

图 1：LMH5401 在执行单端至差分转换时的平衡误差

粗略地讲，LM5401 和 LM3401 拥有驱动 16 位 ADC（在高达约 300 MHz）、14 位 ADC（在高达约 500 MHz）、12 位 ADC（在高达约 1 GHz）、以及 8 位和 10 位 ADC（在高达 2 GHz）所必需的失真性能。

所以，总的说来，FDA 可在单颗芯片内集成两种或三种功能 ― IF 放大器及一个或两个平衡-不平衡变压器 ― 同时改善 IF 放大性能并实现低功耗、较小的尺寸、较高的带宽和卓越的失真指标。这一点即使在单端至差分配置中也不例外。

图 2 示出了一款采用“有源平衡-不平衡变压器”配置的典型应用电路，其由 LMH5401 FDA 在一个 GSPS ADC（比如：12 位、4 GSPS RF 采样 ADC12J4000）之前提供增益、缓冲和单端至差分转换。

图 2：显示有源平衡-不平衡变压器配置的 LMH5401 应用电路

下表给出了平衡-不平衡变压器和 FDA 的某些优缺点的快速参考。

 

 

平衡-不平衡变压器

 

全差分放大器

 

尺寸

 

大尺寸（大多数都大于 20 mm2）

高度（大多数都大于 3 mm）

 

小尺寸（LMH3401 为 6.35 mm2）

高度（LMH3401 小于 0.6 mm）

 

DC 耦合

 

不适用

 

支持

 

频率响应

 

具有大的插入损耗并随频率而变化

 

极小的插入损耗，而且在整个频率范围内更加恒定

 

功率增益

 

无功率增益

－ 阻抗匹配与电压 / 电流增益相关

 

可提供功率增益

－ 阻抗匹配与增益无关

 

缓冲

 

无缓冲

－ 滤波器受影响：负载与滤波器阻抗相互影响

－ 无反向隔离

 

有缓冲

－ 滤波器阻抗灵活：可使负载免受滤波器的影响

－ 反向隔离：可隔离 ADC 输入级干扰

 

失真

 

无失真规格

幅度平衡指标较差

 

更好的失真规格

更好的幅度平衡

 

噪声

 

噪声较小

 

增加了噪声

 

温度范围

 

有限的“规格指标与温度的关系”

在整个温度范围内增益变化很大

 

确定的“规格指标与温度的关系”

在整个温度范围内增益变化很小

 

可靠性

 

由于机械构造的原因（比如：飞行过程中的振动）而不太可靠

 

由于采用单片式实现方案，因而具有高可靠性

 

模型

 

设计模型极少

 

通常提供 SPICE 和 ADS 模型

 

所以，当下一次您需要驱动一个高速、差分输入 ADC 时，务必考虑采用诸如 LMH3401 或 LMH5401 等 FDA。对于 1 GHz 以下的许多应用来说，FDA 不仅将缩短您的物料清单，而且还可提供较宽的带宽支持、较小的尺寸、DC 耦合及简化的设计。

请观看由我的同事 Michael Steffes（他是一名高速系统工程师和高级技术人员）为您准备的一部培训演示，以了解有关怎样把 FDA 用作一种“有源平衡-不平衡变压器”来驱动 ADC 的更多详情。

其他资源：

查看 LMH3401 或 LMH5401 的数据表。

了解如何减轻共模噪声对差分信号路径的影响。

了解怎样使用 LDO 来减少高速电源问题。