差分信号的应用优势和在模拟数字转换器中的应用

当今的世界是一个充斥着海量数据的世界。人们的生活从中获益颇多，但系统设计者面临的压力却日益增大，为模拟数字转换器（ADC）挑选合适的驱动器就是一个重要课题。作为联系现实世界和数据世界重要桥梁的ADC，往往要以数百兆赫兹的频率和高达16位的分辨率来进行采样工作。这样，选择与其相匹配的驱动器来充分发挥其潜力，就变得至关重要。高带宽、高无杂散动态范围、低噪声和低失真度已成为挑选ADC驱动器的重要指标。

差分信号的优点

目前，用来驱动ADC的方案有两种，第一种是使用变压器，第二种则是差分放大器。不过，在介绍差分放大器之前，让我们先来了解一下什么是差分信号。

简单地讲，差分信号就是两个相关信号的差值，本文介绍的是电压差分信号，它已经广泛的用于音频、数据传输和电话中。虽然比单端输入信号系统要复杂，但差分信号系统的优点是明显的。第一，差分信号对外部电磁干扰（EMI）是高度免疫的。一个干扰源对差分信号对的每一端影响都是相同的。因为由电压差来决定信号，两边的干扰相抵，信号便不会有大幅的变化。第二，差分信号有利于识别微小信号。在差分信号系统中，基准点是由使用者来确定的，可以选择两输入端的平均信号作为基准点，这就减小了信号的摆动范围。第三，单端输入系统的信号要依靠虚地，而差分信号就不需要这样一个虚地，增加了双极型信号的保真度和稳定性。第四，差分信号的时序定位精确。差分信号受工艺和环境温度的影响小，可降低时序上的误差。目前流行的LVDS就是一种小振幅差分信号技术。

差分放大器就是接受和输出差分信号的器件，同运算放大器一样，它能接收双端输入，不同的是它具有双输出端，而不像运算放大器只有单端口。在差分放大器中，其输出共模电压（VOCM）能独立地被差分电压控制。图1是差分放大器的简明原理图。

图1 标准的差分放大器

新型的差分放大器

差分放大器有几个优点。第一是抗噪声能力，这一点在介绍差分信号时已经提及了。第二个优点是增加了差分输出电压摆动（见图2）。这其中的道理也不复杂，输出端的两电压为反相，其差值当然是单端输出的2倍了。第三个优点是减少了偶数阶的信号失真。为了解释这个道理，我们把输出端电压表示成输入端的多阶函数合。

图2 差分输出电压摆

Vout+ = k1Vin + k2Vin2 + k3Vin3 + … ， （1）

Vout- = k1（-Vin） + k2（-Vin）2 + k3（-Vin）3+… （2）

Vod = Vout-Vout-=2k1Vin + 2k3Vin3 + … （3）

从式（3）中可以看出，偶数阶被消去了。

为了适应市场的发展，各家公司纷纷推出了各自的差分放大器产品，像ADI公司的AD4937/4938，TI公司的THS4520，MAXIM公司的MAX4198/MAX4199以及Linear公司的LTC6400等。凭借着工艺的进步，这些产品的技术参数都达到了很高的水平。以AD4937为例，其输入电压噪声为2.2nV/√Hz; 1.6GHz的-3dB带宽，增益G=1;压摆率为5000V/μS;在125MHz时有 0.1dB增益平坦度带宽;能驱动从直流到100MHz的ADC。

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