低功耗高速全差動放大器：為ADC加點(diǎn)料

　　在很多公司被摩爾定律忽悠得妻離子散（拆分、裁員），在金融海嘯中瀕臨家破人亡時(shí)（自插草標(biāo)待售，申請破產(chǎn)保護(hù)）。大家也不想想，三五年前，專家就預(yù)測摩爾定律還能堅(jiān)持15年，那時(shí)還不找個(gè)其他出路，鬧得現(xiàn)在印鈔機(jī)變成了老虎機(jī)！

　　去年2月，筆者就曾在《電子產(chǎn)品世界》P20寫了一篇《不和摩爾定律較勁》，介紹Cypress（賽普拉斯）公司CEO在2001年網(wǎng)絡(luò)泡沫后的頓悟。還有一些公司（在此就不一一表揚(yáng)了），大力發(fā)展模擬等業(yè)務(wù)。

　　這里要提到的是TI（德州儀器）的模擬放大器業(yè)務(wù)。2月12日，該公司在京舉行了該公司2009年第一場新聞發(fā)布會，竟是模擬類的一款放大器！TI這家DSP（數(shù)字信號處理器）領(lǐng)域的霸主，竟十分看重一款模擬產(chǎn)品，實(shí)在令人可圈可點(diǎn)。這意味著：滿足各種特定數(shù)字應(yīng)用的高性能模擬產(chǎn)品，由于其可觀的利潤（半導(dǎo)體中利潤最高者），已經(jīng)成為很多大公司看重的增長點(diǎn)。

照片1 TI在2月12日的北京發(fā)布會現(xiàn)場，講演者為王勝工程師（此照片由精英公關(guān)提供）

　　TI推出的THS4521、THS4522以及THS4524號稱是業(yè)界最低功耗的高速全差動放大器，其用途是針對單通道和多通道逐次逼近寄存器（SAR）與Δ-Σ 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)，可謂為實(shí)現(xiàn)高精度ADC的錦上添花。非常適用于需要高分辨率、高精度以及出色動態(tài)范圍的工業(yè)、醫(yī)療等應(yīng)用，例如壓力表與流量計(jì)、測震設(shè)備以及心電圖機(jī)等。

照片2 THS452x與ADC的對接示意圖

實(shí)現(xiàn)差分ADC驅(qū)動的三種方案

　　對于放大器來說種類很多,例如運(yùn)算放大器，音頻功率放大器，差動放大器，儀表放大器，隔離模擬放大器等。

　　據(jù)TI模擬器件事業(yè)部業(yè)務(wù)拓展工程師王勝介紹，差動放大器本身來說不是一個(gè)新鮮東西，但是如果是各種性能集于一身的話就是很難能可貴的，或者目前在整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)還是很少見的，TI公司的THS4521、THS4522以及THS4524就是這么一類全新產(chǎn)品。

　　我們知道，現(xiàn)在隨著數(shù)字世界、數(shù)字生活隨處可見，必然產(chǎn)生了一個(gè)AD（模數(shù)）轉(zhuǎn)換的功能，對于ADC來說前面一定要有一個(gè)類似調(diào)理或者放大的功能電路，哪怕是呈現(xiàn)在一個(gè)具體的芯片上或者呈現(xiàn)在某一個(gè)具體的功能模塊里面，那么至少有類似的東西。
   
　　對于整個(gè)系統(tǒng)來說，單從精度角度來看，ADC對性能或精度有決定性作用，不過其前端的模擬電路（即前端信號調(diào)理電路），對整個(gè)系統(tǒng)的性能影響也至關(guān)重要。為了迎合這種需求，TI此次發(fā)布的差動放大器可以實(shí)現(xiàn)對ADC系統(tǒng)的精度提升等功能，例如從功耗以及設(shè)計(jì)簡單程度角度，它都是一款有很多優(yōu)點(diǎn)的差動放大器。

　　在高分辨率和高精度應(yīng)用中，怎樣才能使ADC在嚴(yán)格的功率限制內(nèi)實(shí)現(xiàn)寬泛的動態(tài)范圍。通常有三種方案（如圖1）。

圖1 三種差分ADC驅(qū)動的方案

　　第一，單端放大器實(shí)現(xiàn)，包括高速的、高精度的、低功耗的等等各種指標(biāo)的單端放大器。但是其畢竟還是一個(gè)單端的。因此實(shí)現(xiàn)最前端、最后端ADC插入輸入滿足的話，一個(gè)放大器是實(shí)現(xiàn)不了的，一定要用多個(gè)放大器，放大器至少要兩個(gè)或者更多基于不同的設(shè)計(jì)要求。這樣一來就會帶來一個(gè)直觀的結(jié)果，即實(shí)現(xiàn)一個(gè)差分而引入很多復(fù)雜電路，那這樣對設(shè)計(jì)和整個(gè)精度的挑戰(zhàn)就是一個(gè)折中了。所以基于這種情況下，當(dāng)對差分輸入ADC進(jìn)行驅(qū)動的時(shí)候，通常這種單端放大器類的產(chǎn)品是很難簡單實(shí)現(xiàn)的。

　　第二種方案是采用一個(gè)差動放大器。差動放大器信號形式基本滿足了差分，但是除了最基本的要求以外，還有很多其他的要求，比如噪聲、功耗、供電形式、設(shè)計(jì)……，這些能否簡單化？這對一個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是至關(guān)重要，所以對于差分ADC等應(yīng)用，通常這種高功耗放大器不是一個(gè)十全十美的選擇。
   
　　第三種方案，即以TI新的THS452x差動放大器為代表的芯片來驅(qū)動ADC或類似應(yīng)用，會把前兩種選擇的弊端大大降低，當(dāng)然不可否認(rèn)，THS452x肯定也會有功耗、誤差、噪聲，但是可以把這些降到最低。目前看到所有的差分驅(qū)動里面，相對而言第三種方案應(yīng)該是一個(gè)比較好的選擇。

TI差分放大器產(chǎn)品家族秀

    再來看看圖2，可見TI高速全差分放大器產(chǎn)品陣營。這里突出的是高速度，因?yàn)閹捵罡叩?GHz左右。不過，往右看時(shí)發(fā)現(xiàn)，盡管整個(gè)帶寬越來越窄，但是其噪聲性能相對整體來說卻很高，因此相對值比右邊高。但是如果在這么一個(gè)寬電壓輸入范圍之內(nèi)。不過，從寬電壓供電的一個(gè)系統(tǒng)來看，實(shí)際上即使右邊的噪聲水平也不是一個(gè)很高的水平。

圖2 TI全差動放大器陣營

　　那么相對于兩端，這次發(fā)布的產(chǎn)品介于中間。但是這次發(fā)布還有一個(gè)特點(diǎn)，即可以實(shí)現(xiàn)多通道；而以往其他產(chǎn)品都是單通道，而這次發(fā)布的系列產(chǎn)品既有兩通道的，還有四通道。

　　從帶寬來看，一般大約在一兩百兆赫茲帶寬范圍之內(nèi)（帶寬不那么寬），但是TI針對的應(yīng)用是不一樣的，比如THS452x高速差動放大器產(chǎn)品主要是針對測試計(jì)量設(shè)備、高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備，以及高精度的特殊應(yīng)用。

THS452x系列的主要特性與優(yōu)勢

圖3 THS452x的性能突破

　　•與同類競爭產(chǎn)品相比，靜態(tài)流耗僅為一半（單位通道為 1.14 mA），而斷電電流可降低 22 倍 (20 uA)；

　　•可將帶寬提高超過 30%，支持 145 MHz 與 490 V/us 的壓擺率，無需提高系統(tǒng)功耗即可緩沖并放大信號；

　　•可在輸入電壓噪聲僅為 4.6nV/rtHz 的情況下將動態(tài)范圍／靈敏度提高 44%，實(shí)現(xiàn)最小化失真；

　　•可針對 TI SAR 與 Δ-Σ ADC 提供高性能緩沖，滿足高精度低功耗系統(tǒng)的要求；

　　•輸出共?？刂瓶蓪?shí)現(xiàn)便捷的 DC 耦合，而負(fù)軌輸入與軌至軌輸出功能則可簡化設(shè)計(jì)工作，縮短開發(fā)時(shí)間；

　　•既接受 +3 V 至 +5 V 的單電源供電，也接受 +/-1.5 V 至 +/- 2.5 V 的雙電源供電，可實(shí)現(xiàn)電源的高靈活性；

　　•支持單、雙以及四配置選項(xiàng)，可節(jié)省板級空間。

感悟

　　由于個(gè)性的工業(yè)和快速的消費(fèi)市場的需求，使得我們所面對的市場變得越來越細(xì)分和專業(yè)。以前生產(chǎn)產(chǎn)品往往追求通用和高量，但是現(xiàn)在要求不斷變化、細(xì)分和更加專業(yè)化。半導(dǎo)體市場開拓就是那幾套路，就看誰會為某塊市場加點(diǎn)料。