采用单端运算放大器的差分 ADC 驱动器

　　如图 1 所示，差分 ADC 驱动器可以通过采用两个单端运算放大器来实现。

　　图 1. 使用两个相同的单端运算放大器实现差分 ADC 驱动器
　　将差分信号施加到这些相同的路径后，各个运算放大器将产生相同的 2 次谐波分量。这些失真分量在 ADC 输入端表现为共模信号，就像任何其他共模噪声和干扰信号一样，差分 ADC 将抑制这些失真分量。
　　在上一篇文章中，我们讨论了需要对称的 PCB 布局来保持两个单端路径相同并衰减二次谐波。在本文中，我们将讨论如何布置运算放大器的去耦电容以实现尽可能高的线性度性能。
　　我们知道，去耦电容器充当电荷源，并提供运算放大器应向负载输送的高频电流。为了提供高频差分电流，我们可以同时使用轨对地和轨到轨去耦电容器。
　　轨到轨与轨到地去耦结构

　　如图 1 所示的结构，输送到负载的电流是差分的，即当上部运算放大器向负载提供电流时，下部分支吸收电流，反之亦然。让我们考虑一下上部运算放大器提供负载电流，而下部路径吸收负载电流的情况。轨对地和轨到轨去耦选项以及电流路径如图 2 所示。请注意，在此图中，为简单起见，没有显示放大级的 resistor。此外，我们假设采用具有专用接地层的多层板。

　　图 2.轨对地 （a） 和轨对轨 （b） 去耦结构
　　采用轨对地去耦结构 [图 2（a）]，高频电流将从正轨的旁路电容器 （C旁路 1） 连接到负载，然后连接到负轨 （C 的旁路电容器）旁路 2），如蓝色箭头所示。电路原理图暗示节点 A 和 B 都位于地面上，蓝色箭头所示的路径是一条闭合的电流路径。然而，在现实中，节点 A 和 B 是接地层上的两个不同节点，电流应该从节点 B 流向节点 A，以具有闭合的电流路径。因此，负载电流将通过接地层提供的阻抗路径流回 C 的接地侧旁路 1.
　　这种结构的挑战在于，任何在接地层中流动的电流，只要足够接近负载电流返回路径，就可以与负载电流耦合并改变负载电流。此外，如果负载电流返回路径从节点 B 到 A 出现任何不对称性，则 ADC 驱动器的单端路径之间的对称性将受到影响，并且 ADC 输入端将出现更大的二次谐波。

　　为了规避这些问题，可以采用图 2（b） 中的去耦结构，在两个电源轨之间放置一个旁路电容器。这样，差分负载电流将遵循蓝色箭头所示的路径，而不必流过接地层。根据 TI 文件，轨到轨旁路电容器可以将二次谐波失真降低 6 至 10dB。请注意，为了在相反方向上提供差分负载电流，我们需要包括另一个轨到轨旁路电容器 （C旁通 4），如下图 3 所示。

　　C 提供的负载电流路径旁通 4由蓝色箭头显示。
　　共模电流怎么样？

　　如图 1 所示，运算放大器提供的电流主要是差分电流，可由轨到轨去耦电容器提供。但是，我们仍然可以使用小的共模电流元件。例如，假设一个噪声分量耦合到两个运算放大器的同相输入端，并略微提高这些节点的电压。这将产生一个共模电流从两个运算放大器流出。如图 4 所示，这样的共模电流将对 PCB 走线的杂散电容充电。

　　请注意，轨到轨旁路电容器不能提供这些共模电流。在图 4 中，运算放大器必须直接通过电源和接地导体提供高频共模电流分量，这是不希望的。因此，我们需要添加轨对地旁路电容，如图 5 所示。

　　如您所见，从两个运算放大器流出的共模电流将由正电源轨和接地 （C旁路 5和 C旁通 7).该共模电流将对走线的寄生电容充电。因此，返回电流将从寄生电容的接地侧流回 C 的接地侧旁路 5和 C旁通 7在地平面中。同样，两个运算放大器吸收的共模电流将由放置在负轨和接地之间的旁路电容器 （C旁路 6和 C旁路8).
　　轨对地电容器可提供共模和差分电流

　　虽然我们添加了 C旁路 5、 C旁路 6、 C旁通 7和 C旁路8为了提供共模电流，这些电容器还将提供负载高频差分电流的一部分。如图 2（a） 所示，使用轨对地电容器可能会不必要地使差分负载电流流过接地层，这是不希望的。为避免这种情况，我们可以放置轨对地旁路电容器，这些电容器可以对称地提供差分电流，并在中点将它们之间的走线接地。图 6 中以图形方式地说明了这一点。

　　上图显示了上部运算放大器提供负载电流，而下部路径吸收负载电流的情况。在本例中，C旁路 5和 C旁路8可提供一部分负载差动电流。为了防止差分电流流过接地层，我们将 C 的接地侧连接起来旁路 5和 C旁路8一起通过电路板信号层上的 PCB 走线，并将该走线接地在中点（图中的节点 A）。对于差分信号，节点 A 理论上应该是虚拟接地，差分电流不应流入接地层 （I地=0 表示差分负载电流）。同样，我们将 C旁路 6和 C旁通 7彼此对称，并在中点将两个电容器之间的走线接地。您可以在此 TI 应用中找到应用上述技术的示例布局。