使用差分计算器简化全差分放大器系统设计

Zoltan Frasch and Tina Collins

差异放大器计算™是一个交互式设计和参数化仿真工具。它可自动执行耗时的计算，以确定增益、端接电阻、功耗、噪声输出和输入共模电压的最佳电平。DiffAmpCalc通过为工程师提供有效且直观的工具来降低设计风险。DiffAmpCalc的强大之处在于其以设计为导向的功能，易用性和内置的错误检测功能。

该工具通过使用数据手册参数对放大器的行为进行数学建模，加快了ADI公司多个差分放大器的选择、评估和故障排除。数据表中未指定的任何参数均根据数据手册的值和数字进行外推。

对三种类型的全差分放大器 （FDA） 进行了建模：具有用户可选增益的 FDA、具有预设增益的 FDA 和全差分漏斗放大器。图 1 是 DiffAmpCalc 图形用户界面 （GUI）。本应用笔记介绍了DiffAmpCalc的主要特性。

图1.DiffAmpCalc GUI。

差积金的特点

DiffAmpCalc的设计特点使其成为一个强大的工具。三个关键设计特性是电路定制、优化偏好以及可用于各种配置的大量动态数据。用户有多个设计自定义选项。图2显示了输入拓扑（单端或差分）、输入耦合（交流或直流）和输入端接（端接）的用户可选选项。图 3 显示了输出负载选择：无、差分、接地参考（GND 参考）或参考电压（V 参考）。

图2.输入拓扑、输入耦合和输入端接选项。

图3.输出负载选项。

对于高差分增益要求，可以选择级联放大器级。设置设计封装后，存在多个优化功能。其中一些特性包括自动失调、输入跟踪、增益计算、电阻容差和热效应。

自动偏移（自动偏移）打开时，会自动将输入失调电压和 Vocm 调整到可用输入和输出电压范围的中心。此功能可最大化放大器的动态范围。

尝试保持平衡输入时，启用输入跟踪非常有用，因为输入幅度和偏移会自动平衡。这是通过强制反相节点和同相节点相等来实现的。选择“自动偏移”时，将禁用输入跟踪。自动偏移和输入跟踪选项选择如图4所示。

图4.输入跟踪和自动偏移。

设置系统增益

DiffAmpCalc简化了系统增益计算。在实际增益文本框中输入所需增益（参见图5中的圆圈区域），即可设置系统增益。

图5.设置系统增益。

提供所有组件值，并可以使用滚动条按比例调整。DiffAmpCalc 的一个关键功能是当用户为拓扑选择终止时计算元件值（图 2 中选择了终止）。匹配阻抗需要输入端接。阻抗匹配选项使系统设计人员能够灵活地定义输入源。例如，如果使用信号发生器作为FDA的输入，则需要双重端接。

双端接需要端接电阻。这些电阻会影响系统增益。为了保持双端接拓扑的相同系统增益，反馈和增益电阻需要迭代重新计算。ADA4930-1数据手册中描述了此过程。

DiffAmpCalc 通过在选择拓扑“终止”时自动计算组件值来简化迭代计算。此功能动态更新各自的反馈并获得组件值。默认情况下，DiffAmpCalc 中的迭代计算是隐藏的。可以使用键盘快捷键 Alt + V 使计算可见。再次按 Alt + V 将隐藏计算。

DiffAmpCalc可轻松协助设计优化，误差预算和热敏电阻噪声影响。用户可以通过选择电阻容差按钮中列出的以下选项之一，选择<1%至5%的电阻容差：无、<1%（E192）、1%（E96）、2%（E48）或5%（E24），如图6所示。

图6.电阻容差选项。

电阻噪声对性能的热影响是在用户定义环境温度时计算的。电阻噪声信息如图7所示。

图7.噪声数据和输入。

仿真结果

每个节点的仿真结果即时可用，可实现实时分析。源电压以及放大器输入和输出电压波形的节点数据和类似示波器的数字有助于快速了解组件和系统的权衡。左键单击类似示波器的显示屏可实现 1×、2×、5×、10×、20×、50× 和 100× 放大倍率。右键单击显示屏可恢复放大倍率并缩小。

计算所有节点的直流和交流峰峰值电压。输入电压指定为交流电压，峰峰值叠加在直流失调上。如果考虑峰值电流，则总功耗分为静态功率和动态功率。在图8中，节点电压显示在电路图的圆圈区域中，类似示波器的数字显示在电路图右侧的框区域中。功耗计算可在盒装示波器区域下方找到。

图8.屏幕截图突出显示节点电压和类似示波器的显示器。

图中显示了放大器频率响应平坦频率的时域仿真。频域仿真包括放大器的带宽以及噪声和失真。默认情况下，噪声和失真是根据放大器的最大带宽计算得出的。如果需要输出端噪声和失真仿真结果，则选择输出低通滤波器（图8中输出LPF在屏幕底部中央圈出）可指定用户定义频率和峰峰值幅度下的噪声和失真。当使用DiffAmpCalc选择ADC驱动器时，此信息非常有用，因为ENOB和SINAD会自动更新。如果系统增益大于 4，则 HD2/HD3、THD/SNDR 和 ENOB 将显示不适用。键盘快捷键 Alt + N 使这些参数可见。

数据输入

在DiffAmpCalc中输入用户定义输入的点击方法使其成为一种高效的工具。使用滚动条和文本框输入数据允许动态更新仿真结果。电压滚动条的默认步长为100 mV步长。要更改分辨率，请使用以下键盘组合：

对于 1 V 步进，Shift + 左键单击

对于 10 mV 步长，按 Ctrl + 左键单击

对于 1 mV 步进，Alt + 左键单击

在文本框内单击可激活它。激活文本框时，文本框的颜色将从白色变为绿色。激活文本框后，用户可以输入数字、小数或负号。

内置错误检测

DiffAmpCalc具有多种内置错误检测功能，可防止常见的差分放大器问题渗透到设计中。当输入的值超出规格时，文本框将变为浅红色，并显示一条警告消息，显示自动更正或不允许在当前方向上进行进一步调整的原因。图 9 是警告消息的示例，图 10 是建议修复的示例。

图9.警告消息。

图 10.建议的修复。

当调整和某些条件重合时，会出现一条警告消息，提醒用户注意这些冲突的条件。只要存在错误条件，警告消息就会持续存在。修复剪切的输入和输出的快速解决方案是启用自动对齐功能。当输入和/或输出被削波时，此功能是一个可见选项。自动对齐功能可解决此问题，并将输入和 Vocm 设置为最大输出动态范围。有关使用自动对齐作为选项的削波输入的示例，请参见图 11，有关自动对齐修复，请参见图 12。

图 11.剪裁的输入和输出，自动对齐选项可见。

图 12.选择“自动对齐”后的结果。

单端端接选项中内置了一个微妙的错误预防功能。当使用单端至差分拓扑时，FDA未使用输入的阻抗必须与其他输入相匹配。参见图13中的圆圈区域，了解具有匹配阻抗的未使用输入的示例。

图 13.单端至差分拓扑的阻抗匹配。

审核编辑：郭婷