Zoltan Frasch and Tina Collins

差異放大器計算?是一個交互式設計和參數化仿真工具。它可自動執行耗時的計算，以確定增益、端接電阻、功耗、噪聲輸出和輸入共模電壓的最佳電平。DiffAmpCalc通過為工程師提供有效且直觀的工具來降低設計風險。DiffAmpCalc的強大之處在于其以設計為導向的功能，易用性和內置的錯誤檢測功能。

該工具通過使用數據手冊參數對放大器的行為進行數學建模，加快了ADI公司多個差分放大器的選擇、評估和故障排除。數據表中未指定的任何參數均根據數據手冊的值和數字進行外推。

對三種類型的全差分放大器 （FDA） 進行了建模：具有用戶可選增益的 FDA、具有預設增益的 FDA 和全差分漏斗放大器。圖 1 是 DiffAmpCalc 圖形用戶界面 （GUI）。本應用筆記介紹了DiffAmpCalc的主要特性。

圖1.DiffAmpCalc GUI。

差積金的特點

DiffAmpCalc的設計特點使其成為一個強大的工具。三個關鍵設計特性是電路定制、優化偏好以及可用于各種配置的大量動態數據。用戶有多個設計自定義選項。圖2顯示了輸入拓撲（單端或差分）、輸入耦合（交流或直流）和輸入端接（端接）的用戶可選選項。圖 3 顯示了輸出負載選擇：無、差分、接地參考（GND 參考）或參考電壓（V 參考）。

圖2.輸入拓撲、輸入耦合和輸入端接選項。

圖3.輸出負載選項。

對于高差分增益要求，可以選擇級聯放大器級。設置設計封裝后，存在多個優化功能。其中一些特性包括自動失調、輸入跟蹤、增益計算、電阻容差和熱效應。

自動偏移（自動偏移）打開時，會自動將輸入失調電壓和 Vocm 調整到可用輸入和輸出電壓范圍的中心。此功能可最大化放大器的動態范圍。

嘗試保持平衡輸入時，啟用輸入跟蹤非常有用，因為輸入幅度和偏移會自動平衡。這是通過強制反相節點和同相節點相等來實現的。選擇“自動偏移”時，將禁用輸入跟蹤。自動偏移和輸入跟蹤選項選擇如圖4所示。

圖4.輸入跟蹤和自動偏移。

設置系統增益

DiffAmpCalc簡化了系統增益計算。在實際增益文本框中輸入所需增益（參見圖5中的圓圈區域），即可設置系統增益。

圖5.設置系統增益。

提供所有組件值，并可以使用滾動條按比例調整。DiffAmpCalc 的一個關鍵功能是當用戶為拓撲選擇終止時計算元件值（圖 2 中選擇了終止）。匹配阻抗需要輸入端接。阻抗匹配選項使系統設計人員能夠靈活地定義輸入源。例如，如果使用信號發生器作為FDA的輸入，則需要雙重端接。

雙端接需要端接電阻。這些電阻會影響系統增益。為了保持雙端接拓撲的相同系統增益，反饋和增益電阻需要迭代重新計算。ADA4930-1數據手冊中描述了此過程。

DiffAmpCalc 通過在選擇拓撲“終止”時自動計算組件值來簡化迭代計算。此功能動態更新各自的反饋并獲得組件值。默認情況下，DiffAmpCalc 中的迭代計算是隱藏的。可以使用鍵盤快捷鍵 Alt + V 使計算可見。再次按 Alt + V 將隱藏計算。

DiffAmpCalc可輕松協助設計優化，誤差預算和熱敏電阻噪聲影響。用戶可以通過選擇電阻容差按鈕中列出的以下選項之一，選擇<1%至5%的電阻容差：無、<1%（E192）、1%（E96）、2%（E48）或5%（E24），如圖6所示。

圖6.電阻容差選項。

電阻噪聲對性能的熱影響是在用戶定義環境溫度時計算的。電阻噪聲信息如圖7所示。

圖7.噪聲數據和輸入。

仿真結果

每個節點的仿真結果即時可用，可實現實時分析。源電壓以及放大器輸入和輸出電壓波形的節點數據和類似示波器的數字有助于快速了解組件和系統的權衡。左鍵單擊類似示波器的顯示屏可實現 1×、2×、5×、10×、20×、50× 和 100× 放大倍率。右鍵單擊顯示屏可恢復放大倍率并縮小。

計算所有節點的直流和交流峰峰值電壓。輸入電壓指定為交流電壓，峰峰值疊加在直流失調上。如果考慮峰值電流，則總功耗分為靜態功率和動態功率。在圖8中，節點電壓顯示在電路圖的圓圈區域中，類似示波器的數字顯示在電路圖右側的框區域中。功耗計算可在盒裝示波器區域下方找到。

圖8.屏幕截圖突出顯示節點電壓和類似示波器的顯示器。

圖中顯示了放大器頻率響應平坦頻率的時域仿真。頻域仿真包括放大器的帶寬以及噪聲和失真。默認情況下，噪聲和失真是根據放大器的最大帶寬計算得出的。如果需要輸出端噪聲和失真仿真結果，則選擇輸出低通濾波器（圖8中輸出LPF在屏幕底部中央圈出）可指定用戶定義頻率和峰峰值幅度下的噪聲和失真。當使用DiffAmpCalc選擇ADC驅動器時，此信息非常有用，因為ENOB和SINAD會自動更新。如果系統增益大于 4，則 HD2/HD3、THD/SNDR 和 ENOB 將顯示不適用。鍵盤快捷鍵 Alt + N 使這些參數可見。

數據輸入

在DiffAmpCalc中輸入用戶定義輸入的點擊方法使其成為一種高效的工具。使用滾動條和文本框輸入數據允許動態更新仿真結果。電壓滾動條的默認步長為100 mV步長。要更改分辨率，請使用以下鍵盤組合：

對于 1 V 步進，Shift + 左鍵單擊

對于 10 mV 步長，按 Ctrl + 左鍵單擊

對于 1 mV 步進，Alt + 左鍵單擊

在文本框內單擊可激活它。激活文本框時，文本框的顏色將從白色變為綠色。激活文本框后，用戶可以輸入數字、小數或負號。

內置錯誤檢測

DiffAmpCalc具有多種內置錯誤檢測功能，可防止常見的差分放大器問題滲透到設計中。當輸入的值超出規格時，文本框將變為淺紅色，并顯示一條警告消息，顯示自動更正或不允許在當前方向上進行進一步調整的原因。圖 9 是警告消息的示例，圖 10 是建議修復的示例。

圖9.警告消息。

圖 10.建議的修復。

當調整和某些條件重合時，會出現一條警告消息，提醒用戶注意這些沖突的條件。只要存在錯誤條件，警告消息就會持續存在。修復剪切的輸入和輸出的快速解決方案是啟用自動對齊功能。當輸入和/或輸出被削波時，此功能是一個可見選項。自動對齊功能可解決此問題，并將輸入和 Vocm 設置為最大輸出動態范圍。有關使用自動對齊作為選項的削波輸入的示例，請參見圖 11，有關自動對齊修復，請參見圖 12。

圖 11.剪裁的輸入和輸出，自動對齊選項可見。

圖 12.選擇“自動對齊”后的結果。

單端端接選項中內置了一個微妙的錯誤預防功能。當使用單端至差分拓撲時，FDA未使用輸入的阻抗必須與其他輸入相匹配。參見圖13中的圓圈區域，了解具有匹配阻抗的未使用輸入的示例。

圖 13.單端至差分拓撲的阻抗匹配。

審核編輯：郭婷