什么是差分放大器?

差分放大器的概念及其优势

目前，世界上大多数的高速模数转换器 (ADC)都具有差分输入。这些ADC被广泛的运用于多种终端的应用当中，但不仅仅局限于通信无线基础设施和回传，以及测试与测量示波器和频谱分析仪。为了支持这一输入架构，工程师必须设计与ADC进行差分对接的信号链。

为了获得最佳性能，用户必须在信号链上选择一个balun(平衡不平衡变换器)，虽然这可能会导致某些应用中的耦合问题。然而，耦合问题并不是总是发生，特别是在某些需要DC分量的测试和测量应用中更是如此。全差分放大器 (FDA)是一种多用途的工具，它可以替代balun(或与它一同使用)的同时，并且提供多种优点。与传统的使用单端输出的放大器相比，电路设计人员在使用由FDA实现的全差分信号处理频谱分析仪时，能够增加电路对外部噪声的抗扰度，从而将动态范围加倍，并且减少偶次谐波。

FDA是什么?

想象一下，如果你不使用高级器件——FDA集成电路来驱动差分ADC。除了balun，一个解决方案就需要通过两个运算放大器来提供差分信号，其中一个运算放大器提供正(VIN+)输入信号，另外一个提供负(VIN-)输入信号。如果想要在运算放大器 (op amp)外部建立适当增益，你将总共需要使用8个电阻器，这设计起来将会十分复杂。现在，工程师只需要一半数量的电阻器和一个IC，就可以使用一个FDA来提供ADC的单端至差分接口和一个差分至差分接口。同时，这个IC无需balun便可以使得DC分量导通，这一点不同于提供DC隔离的balun。这个的关键点是在许多应用中需DC和低频的出色的频率响应。

那么，FDA到底是什么呢?基本上来说，FDA是具有两个放大器的器件。主差分放大器(从VIN至VOUT)由多个反馈路径和Vocm误差放大器组成，而Vocm误差放大器更多情况下被称为共模输出放大器。

先来讨论一下Vocm误差放大器。Vocm放大器在内部采样差分电压(VOUT+和VOUT–)，并且将这个电压与施加到VOCM引脚上的电压相比较。通过一个内部反馈环路，Vocm放大器将Vocm误差放大器的"误差"电压(输入引脚间的电压)驱动为0，这样的话，VOUT_cm= Vocm。如果VOCM引脚保持在悬空的状态时，通常由一个内部分压器将偏置点的缺省值设定为VCC/2(电源间的中间位置)。这些特性不同于具有单端输出的传统运算放大器。在传统运算放大器中，输出共模电压和单端输出实际上是会影响到运算放大器的动态范围的同一信号。

除了Vocm误差放大器，FDA中的主差分放大器具有VOUT+和VOUT—输出和多条反馈路径。在分析这个放大器时，最好将它想象成为包含两条反向的反馈路径。一条路径是一个反向输入到非反向输出，另外一条路径是非反向输入到一个反向输出。为了使FDA正常运行，两条路径都必须关闭。并且，为了保持平衡，反馈路径也最好保持相等。对于这两个路径的分析是非常复杂的。

FDA的优点

由于差分架构的固有属性，FDA还可以帮助提升系统的动态范围。当信号在穿过印刷电路板(PCB)、电缆和接线，以及通过信号与接地路径时，系统噪声会累加，并且会影响到动态范围。

FDA的抗噪性是差分结构的内在属性。它可以在输入上抑制耦合噪声。通常表现为典型运算放大器内的共模电压的电源和输出。由于因为每个部件都有不同的基准点，因此单端组件不能抑制接地噪声。尽管将大量的设计工作被用来将高频接地电流接地，但是，在差分信令提升性能的地方还是会出现问题。在一个典型运算放大器中累积的噪声会降低信噪比(SNR)性能，从而影响系统设计。

除了FDA的共模抑制属性所带来的更大抗扰度，输出之间的相位差使得输出电压摆幅是具有同样电压摆幅的单端输出的两倍(6dB)。这种情况下，用同样的电源增加了放大器的净空，并且针对同样的信号摆幅，允许使用功率更低的电源，从而使耗散降低。

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