AD8138 差分放大器概述

AD8138是一款高性能、低功耗、全差分放大器，专为驱动高速模数转换器（ADC）而设计。它能够将单端信号或差分信号转换为平衡的差分信号，并提供增益。其卓越的性能使其在通信、仪器仪表、医疗成像等众多领域得到广泛应用。理解其差分输入和共模输入特性对于正确使用和优化其性能至关重要。

差分输入

差分输入是AD8138的核心工作模式，也是其名称“全差分放大器”的由来。在这种模式下，放大器关注的是两个输入端子之间的电压差，而不是它们各自对地的电压。这种工作方式带来了诸多优势，特别是在高速和噪声敏感的应用中。

差分信号的定义与优势

差分信号由一对幅度相等、相位相反的信号组成。例如，一个差分信号对可以表示为 VIN+ 和 VIN−, 差分输入电压 VID 定义为 VID=VIN+−VIN−.

使用差分信号进行传输和放大具有显著的抗噪声能力。当外部噪声（如电磁干扰EMI）耦合到信号线上时，由于两根线通常距离很近，噪声会以共模形式（即对两根线的影响几乎相同）耦合进来。在差分放大器中，由于放大的是两个输入信号的差值，这些共模噪声会被有效地抑制或消除。这种共模抑制能力是差分放大器区别于传统单端放大器的关键特性。

此外，差分信号可以有效减少偶次谐波失真。在单端系统中，信号和地之间存在不对称性，这容易引入偶次谐波。而在差分系统中，信号的对称性可以自然地抵消偶次谐波，从而提高信号的线性度，特别是在驱动高速ADC时，这对于实现高信噪比（SNR）和无杂散动态范围（SFDR）至关重要。

AD8138的差分输入结构

AD8138的差分输入由两个引脚组成：IN+ 和 IN-。这两个引脚构成了放大器的差分输入对。当输入信号施加在这两个引脚之间时，AD8138会对这个差分电压进行放大，并在其差分输出端 OUT+ 和 OUT- 产生一个放大的差分电压。

AD8138内部采用独特的架构，包括一个高阻抗的差分输入级，这意味着它对输入信号源的负载非常小，可以有效地减少信号源的失真。此外，它的差分输入级经过精心设计，以确保在宽频率范围内都具有高共模抑制比（CMRR）。

共模输入

除了差分输入，共模输入也是理解AD8138工作原理的关键部分。虽然AD8138放大的是差分信号，但它的输入端也存在共模电压，即两个输入端对地的平均电压。

共模电压的定义

共模输入电压 VICM 定义为两个输入电压的平均值：VICM=2VIN++VIN−.

共模电压本身不包含有用的信号信息，但在实际电路中，它扮演着至关重要的角色，并受到AD8138内部电路的严格限制。

共模输入范围

每个放大器都有一个特定的共模输入电压范围，这是确保放大器正常工作所必需的。如果共模电压超出此范围，放大器的输入级可能会饱和，导致信号失真，甚至可能损坏器件。对于AD8138，其数据手册明确规定了在不同电源电压下的共模输入电压范围。

例如，在 ±5V 的电源电压下，AD8138的共模输入范围通常为 +0.5V 到 −0.5V 之间。这意味着无论输入差分信号如何变化，其共模电压都必须保持在这个范围内。在实际应用中，设计者必须确保输入信号的偏置电压能够满足这个要求。

AD8138的共模抑制

AD8138作为一款全差分放大器，其一个重要指标就是共模抑制比（CMRR）。CMRR定义为差分增益与共模增益的比值。一个高的CMRR意味着放大器能有效地抑制共模信号，只放大所需的差分信号。理想情况下，共模增益为零，即CMRR为无穷大。

在高速和高频应用中，保持高CMRR尤为重要。因为在高频下，由于寄生电容和电路板布局的不对称性，共模信号更容易转换为差模信号，从而在输出端产生不想要的失真。AD8138的内部架构经过优化，旨在在宽频率范围内保持高CMRR，从而确保即使在高速下也能提供卓越的性能。

AD8138差分输入与共模输入的协同工作

理解AD8138的工作原理，需要将差分输入和共模输入视为一个整体。输入信号可以被分解为两部分：差分分量和共模分量。

假设输入信号为 VIN+ 和 VIN−, 我们可以将它们表示为：VIN+=VICM+2VIDVIN−=VICM−2VID

AD8138的工作任务就是放大 VID, 并抑制 VICM.

输入信号的共模电平设置

在实际电路中，特别是将单端信号转换为差分信号时，如何设置输入信号的共模电平是一个关键的设计步骤。

例如，一个单端输入信号 VIN 施加到 IN+ 引脚，IN- 引脚接地。此时，共模电压为 VICM=2VIN. 如果 VIN 的幅度较大，共模电压可能超出AD8138的共模输入范围。

为了解决这个问题，通常会使用外部电阻网络来对输入信号进行偏置。例如，通过在输入端加入电阻分压器，可以将输入信号的共模电平调整到AD8138的最佳工作点，通常是电源中点或特定的偏置电压。

此外，AD8138的内部共模反馈环路也起着至关重要的作用。这个反馈环路监控输出端的共模电压，并自动调整内部电路以保持输出共模电压稳定在设定的电平上。虽然这个反馈环路主要控制输出共模，但它对输入共模电压的要求也间接影响。正确地设置输入共模电压可以确保内部反馈环路正常工作，并优化整个放大器的性能。

差分输入与共模输入对性能的影响

• 线性度与失真：当输入共模电压接近其工作范围的极限时，AD8138的线性度会下降，导致谐波失真增加。因此，将共模电压保持在推荐的中间范围内，是实现低失真的关键。

• 噪声性能：共模电压的波动也会影响噪声性能。一个稳定的共模电压有助于降低输入级的噪声，从而提高信噪比。

• 频率响应：在某些情况下，高频下的共模信号可能会由于器件和电路板的寄生效应，转换为差模信号，从而影响高频响应和稳定性。因此，良好的PCB布局，特别是确保差分走线的对称性，对于维持高频性能至关重要。

AD8138输入应用电路设计考虑

理解了差分输入和共模输入的基本概念后，我们来探讨一些实际应用中的设计考量。

单端转差分电路

这是AD8138最常见的应用之一。在这种模式下，一个单端信号被输入到AD8138，并通过放大器转换为一对差分输出信号。

典型的电路配置包括：

1. 直流耦合：当输入信号的直流分量符合AD8138的共模输入范围时，可以直接将单端信号输入到IN+引脚，并通过一个电阻网络设置IN-引脚的共模偏置。

2. 交流耦合：当输入信号的直流分量不符合要求，或信号为交流信号时，可以使用隔直电容（AC coupling capacitor）来隔离直流分量，并通过偏置电阻网络将输入端的共模电平设置到合适的电压。

在单端转差分电路中，需要特别注意确保IN+和IN-两个输入端的阻抗匹配。不匹配的输入阻抗会导致信号在两个引脚上的衰减不同，从而降低共模抑制比。

差分输入电路

当输入信号本身就是差分信号时，可以直接将它们连接到AD8138的IN+和IN-引脚。

在这种情况下，设计者需要注意以下几点：

1. 共模电压：确保差分输入信号的共模电压在AD8138的允许范围内。如果不在，需要使用电平转换或偏置网络进行调整。

2. 阻抗匹配：为了最大化信号传输效率和减少反射，需要确保输入信号源的阻抗与AD8138的输入阻抗以及传输线的特性阻抗相匹配。

3. 共模电感/共模扼流圈：在一些高频应用中，为了进一步抑制共模噪声，可以在差分输入线上串联共模扼流圈。

输入保护电路

尽管AD8138内部具备一定的保护机制，但在某些严苛的环境中，例如可能会有大瞬态电压或静电放电（ESD）的环境，外部保护电路是必要的。

这可能包括在输入端并联小信号肖特基二极管或瞬态电压抑制器（TVS）。这些器件可以在过压发生时将电压钳位在安全范围内，从而保护AD8138的输入级。

AD8138的差分输入和共模输入是其高性能放大能力的基础。差分输入保证了其对有用信号的放大，同时提供了优异的抗噪声和抗失真能力。共模输入则规定了其正常工作的电压环境，而其高共模抑制比（CMRR）则确保了对无用共模信号的有效抑制。

在设计使用AD8138的电路时，设计师必须全面考虑这两个方面：

• 差分输入：关注输入信号的差值，以及如何最大化差分增益和线性度。

• 共模输入：确保输入信号的共模电压始终保持在AD8138的安全工作范围内，并通过适当的偏置和布局来优化共模抑制比。

通过深入理解和正确应用这些概念，可以充分发挥AD8138的潜力，构建出高性能、低噪声、低失真的模拟前端电路，以满足当今高速数据转换和信号处理的苛刻要求。

AD8138差分输入与共模输入的深入探讨

差分输入阻抗与共模输入阻抗

在深入理解AD8138的输入特性时，区分其差分输入阻抗和共模输入阻抗非常重要。

• 差分输入阻抗 (ZID)：这是在两个输入引脚 IN+ 和 IN- 之间测得的阻抗。理想的差分放大器，其差分输入阻抗应该非常高，以避免对信号源造成过大负载。AD8138的差分输入级设计为高阻抗，这使得它可以有效地从各种信号源（包括高阻抗源）获取信号。高差分输入阻抗确保了输入电流极小，从而最大程度地减少了信号源的加载效应，维持了信号的原始完整性。

• 共模输入阻抗 (ZICM)：这是从输入引脚（例如IN+和IN-并联）到地的阻抗。对于理想的全差分放大器，共模输入阻抗也应该很高。这有助于防止共模噪声通过输入端泄漏到地，从而保持高共模抑制比。AD8138的共模输入阻抗同样很高，有助于维持其出色的抗共模噪声能力。

在实际应用中，特别是在高频下，这些阻抗会受到寄生电容和电感的影响。良好的PCB布局，如短而对称的差分走线，有助于最小化这些寄生效应，从而在整个工作频段内保持高输入阻抗和优异的性能。

输入失调电压和失调电流

除了理想的差分输入和共模输入特性外，实际的放大器还会存在非理想因素，例如输入失调电压和失调电流。

• 输入失调电压 (VOS)：这是为了使输出差分电压为零，需要在输入端施加的差分电压。它反映了放大器内部输入级的微小不匹配。对于AD8138，其输入失调电压通常很低，这使得它在需要高精度的应用中非常有用。然而，在某些要求极高精度的直流耦合应用中，可能需要使用外部失调调节电路来补偿这一误差。

• 输入失调电流 (IOS)：这是流经两个输入引脚的偏置电流之间的差异。同样，它反映了内部电路的不匹配。AD8138的输入失调电流通常也很小，但当输入端使用大电阻进行偏置时，这个小电流会在电阻上产生一个电压降，从而导致额外的失调电压。因此，在设计偏置网络时，应尽量使用电阻值较小的电阻，或者使用对称的电阻网络，以抵消输入失调电流的影响。

动态范围与输入裕量

理解差分输入和共模输入对于评估AD8138的动态范围和输入裕量至关重要。

• 动态范围：指放大器能够处理的信号幅度范围，从最小可检测信号到最大不失真信号。它受到多个因素的限制，包括噪声地板和电源电压。在差分放大器中，动态范围尤其与电源电压和输出共模电压设置有关。

• 输入裕量 (Headroom)：指输入信号可以达到的最大和最小电压，同时仍能保持正常工作。对于AD8138，其输入裕量受限于其共模输入范围。例如，在 ±5V 的电源下，如果共模输入范围是 ±0.5V，那么输入信号的峰值和谷值必须在这个范围内。如果输入信号峰值超过这个范围，放大器将进入非线性区域，导致失真。因此，在设计中，需要确保输入信号的峰值和谷值，以及其共模电平，都位于AD8138的输入共模范围之内。

共模反馈环路（CMRF）

AD8138的内部共模反馈环路是一个关键特性，它使得该器件能够保持稳定的输出共模电压，而这又间接影响了输入共模电压的容忍度。

• 工作原理：AD8138的内部电路持续监测其差分输出端 OUT+ 和 OUT- 的共模电压。当输出共模电压偏离其设定值时，反馈环路会产生一个校正信号，作用于内部放大级，从而将输出共模电压拉回到预设电平。这个设定电平通常是通过一个引脚（例如 VOCM 引脚）来外部设定的。

• 对输入的影响：虽然共模反馈环路直接作用于输出端，但它的存在意味着AD8138能够容忍一定范围的输入共模电压变化，因为它可以自动调整内部偏置来保持输出共模稳定。然而，这并不意味着输入共模电压可以任意变化。如前所述，输入共模电压仍然必须保持在其规定的输入共模范围之内，否则输入级会饱和，导致共模反馈环路失效。

AD8138在不同应用中的输入特性应用实例

高频ADC驱动器

在驱动高速、高分辨率ADC时，AD8138的差分输入和共模输入特性发挥了至关重要的作用。

• 输入信号：通常，高速ADC需要一个宽带宽、低失真的差分输入信号。AD8138可以接收来自滤波器、混频器或变压器的单端或差分信号，并将其转换为ADC所需的差分信号。

• 共模匹配：ADC通常要求其差分输入信号的共模电平处于一个特定的电压，例如电源中点。AD8138的共模反馈环路和外部VOCM引脚使得设计师能够精确地将输出共模电压设置为ADC所需的电平，从而简化了整个模拟前端的设计。

• 阻抗匹配：为了在高频下实现最佳性能，AD8138的输入端通常需要与前一级电路进行阻抗匹配。这可能涉及到使用匹配电阻网络或变压器，以确保信号传输的完整性。

线路驱动器与接收器

在长距离差分信号传输中，如平衡音频线或高速数据线，AD8138可以用作线路驱动器或接收器。

• 线路驱动器：当AD8138用作驱动器时，它可以将单端信号转换为差分信号，并以高驱动能力将信号发送到长距离线缆。差分信号的抗噪声能力使其在嘈杂的环境中表现出色。

• 线路接收器：当AD8138用作接收器时，它可以接收长距离传输过来的差分信号。此时，线缆上可能已经耦合了大量的共模噪声。AD8138的高共模抑制比（CMRR）能够有效地滤除这些共模噪声，只提取出所需的差分信号，从而保证信号的完整性。

在这种应用中，输入端的共模电压通常会受到传输线上的偏置和噪声的影响。AD8138的宽共模输入范围使其能够容忍这些变化，从而确保可靠的信号接收。

增益控制

AD8138的增益由外部反馈电阻决定，其差分输入特性使其能够实现精确的增益控制。

• 增益计算：对于全差分放大器，增益通常由反馈电阻 RF 和增益电阻 RG 的比值决定。例如，增益 AVD=RGRF.

• 输入共模对增益的影响：增益电阻 RG 会直接连接到AD8138的输入端。虽然增益主要取决于电阻比，但输入共模电压的设置会影响流经这些电阻的直流偏置电流。因此，在直流耦合应用中，需要仔细选择电阻值，以确保输入共模电压不会因电阻上的电压降而超出范围。

总结与展望

AD8138作为一款高性能全差分放大器，其差分输入和共模输入特性是理解其工作原理和应用的关键。

• 差分输入是其处理信号的核心机制，提供了卓越的抗噪声、抗失真能力。其高输入阻抗保证了对信号源的最小加载。

• 共模输入是其正常工作的必要条件，其工作范围限制了输入信号的偏置。AD8138的高共模抑制比确保了对共模噪声的有效滤除。

在设计电路时，设计师必须综合考虑这两个方面：确保输入信号的差分分量得到正确放大，同时保证其共模分量始终位于AD8138的安全工作范围之内。通过精确的偏置、良好的布局和适当的外部电路，可以充分发挥AD8138的潜力，实现卓越的性能。

随着高速数据转换和信号处理技术的发展，对高性能全差分放大器的需求将持续增长。AD8138及其后续产品将继续在这些领域扮演关键角色，而对其差分和共模输入特性的深入理解，将是工程师们成功设计和优化高性能系统的基石。