雖然許多業(yè)界最新的高分辨率精密模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 可實(shí)現(xiàn)差分輸入以更大限度地提高性能，但許多設(shè)計(jì)人員仍然選擇使用單端放大器，因?yàn)檫@是他們的舒適區(qū)。而全差分放大器 (FDA) 可在不犧牲精度的情況下提供諸多系統(tǒng)優(yōu)勢。本文將以 2025 年推出的 THS4536 超高精度、低噪聲 80MHz FDA 為例，說明如何實(shí)現(xiàn)全差分放大器的諸多優(yōu)勢。

FDA 可通過直流 (DC) 耦合實(shí)現(xiàn)簡單的單端到差分信號轉(zhuǎn)換。在圖 1 至圖 3 中，您可以看到三種將單端信號驅(qū)動到 ADC 差分輸入的不同示例。不過，F(xiàn)DA 可提供更低的功耗、更低的噪聲，更大的動態(tài)范圍和其他電路優(yōu)勢，同時(shí)簡化了整個(gè)信號鏈。

圖 1 使用雙路運(yùn)算放大器 (Op Amp) 的 ADC 驅(qū)動

圖 2 使用偽差分輸入的 ADC 驅(qū)動

圖 3 使用全差分放大器的 ADC 驅(qū)動

FDA 架構(gòu)可以通過降低 HD₂ 顯著降低總諧波失真 (THD)。實(shí)施圖 3 所示的 FDA 方法，可以提升總體系統(tǒng)性能，也可以使您能夠靈活地使用較低功耗或較低帶寬的放大器來滿足相同的 THD 要求。

除了較低的 THD 外，單個(gè) FDA（圖 3） $\frac{1}{\sqrt{2}}$ 在相同功耗下還將具有比一對單端運(yùn)算放大器（圖 1）低的噪聲。例如，在雙通道運(yùn)算放大器電路配置中，輸入電壓噪聲為 4nV/√Hz 的運(yùn)算放大器的總輸入電壓噪聲將為 $4\sqrt{2}$ nV/√Hz。相比之下，對于 THS4536 等全差分放大器，其輸入電壓噪聲同樣約為 4nV/√Hz，由于僅使用單個(gè)器件，因此總輸入電壓噪聲相當(dāng)于 FDA。

FDA 可以采用單電源電壓運(yùn)行，同時(shí)仍接受雙極輸入信號。圖 4 顯示 THS4536 接受 20Vpp 輸入（0V 共模），并在 2.5V 共模下輸出 8Vpp。此功能可通過消除負(fù)電源及任何不必要的信號衰減級來降低系統(tǒng)復(fù)雜性。FDA 還包含共模輸出環(huán)路，可完美匹配預(yù)期的 ADC 輸入共模。V_OCM 引腳可設(shè)置放大器的輸出共模，而無需任何額外補(bǔ)償。

圖 4 衰減配置中的 FDA

如圖 5 和圖 6 所示，大多數(shù) TI 的 FDA 均采用這兩種小型封裝，其中包括的 2mm x 2mm 10 引腳 QFN (RUN) 是業(yè)界最小的 FDA 封裝，適用于對空間要求極為嚴(yán)苛的應(yīng)用。

圖 5 2mm × 2mm 10 引腳 QFN

圖 6 5mm x 3mm 8 引腳 VSSOP

TI 于 2025 年推出的 THS4536 是業(yè)界最高精度的 FDA 之一，輸入失調(diào)電壓低至 ±50μV，最大溫漂僅為 0.8μV/°C。這可以提升系統(tǒng)性能，并更大限度地減少了昂貴且耗時(shí)的系統(tǒng)校準(zhǔn)需求。

廣受歡迎的 ADS127L11 24 位 400KSPS Δ-Σ ADC 展示了 FDA 的影響。如圖 7 所示，在 1kHz 輸入信號 (OSR = 32) 條件下，ADC+驅(qū)動器對可實(shí)現(xiàn) 102dB 的信噪比 (SNR) 和 -115dB 的 THD。之所以能在增加不到 24mW 系統(tǒng)功耗的同時(shí)實(shí)現(xiàn)這種性能水平，是因?yàn)?THS4536 成為設(shè)計(jì)中不可或缺的關(guān)鍵器件：該設(shè)計(jì)既能實(shí)現(xiàn)極低功耗影響，又能提供出色的諧波失真和精度性能。

圖 7 ADS127L11 搭配 THS4536 頻譜

如果您的 ADC 具有差分輸入，則使用 THS4536 等精密 FDA 是一個(gè)不錯的選擇，可以簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)低噪聲、低功耗和低諧波失真。