變壓器通常被認為是將高速電流輸出DAC的互補輸出轉換為單端電壓輸出的最佳選擇,因為變壓器不會增加噪聲,也不會消耗功率.盡管變壓器在高頻信號下表現(xiàn)良好,但它們無法處理許多儀表和醫(yī)療應用所需要的低頻信號.這些應用要求一個低功耗、低失真、低噪聲的高速放大器,以將互補電流轉換成單端電壓.此處展示的三個電路接受來自DAC的互補輸出電流,并提供單端輸出電壓.將后兩者的失真與變壓器解決方案進行比較.

差分放大器: AD8129和AD8130差分轉單端放大器（圖15）用于第一個電路（圖16）.它們在高頻下具有極高的共模抑制性能.AD8129在增益為10或以上時保持穩(wěn)定,而AD8130則在單位增益下保持穩(wěn)定.它們的用戶可調增益可以由, R_F 和 R_G.兩個電阻的比值來設置.AD8129和AD8130在引腳1和引腳8上具有很高的輸入阻抗,不受增益設置的影響.基準電壓 (V_REF, 引腳4)可以用來設置偏置電壓,該偏置電壓被乘以與差分輸入電壓相同的增益.

圖15. AD8129/AD8130差動放大器

圖16. 采用AD8129/AD8130的DAC緩沖器

方程1和方程2所示為放大器的輸出電壓與DAC的互補輸出電流之間的關系.端接電阻R_T,執(zhí)行電流-電壓轉換；R_F 與R_G之比決定了增益. V_REF 在方程2中被設為0.

(1)

(2)

在圖16中,該電路采用一個四通道高速、低功耗、14位DAC,其中,互補電流輸出級將提高速度,降低低功耗DAC的失真.

圖17展示的是電路的無雜散動態(tài)范圍(SFDR),它是頻率的函數(shù),采用DAC和AD8129,其中,R_F = 2kΩ, R_G = 221Ω, R_T = 100Ω, 且V_O = 8Vp-p, 兩個電源電壓對應的不同值.此處選擇了AD8129,因為它提供較大的輸出信號,在G = 10時保持穩(wěn)定,與AD8130相比,具有較高的增益帶寬積.兩種情況下,SFDR一般都要好于55dB,超過10MHz,在低電源電壓下,約有>3dB的改善.

圖17. DAC和AD8129的失真 V_O = 8 V p-p

單位增益下的運算放大器: 第二個電路（圖18）采用了一個高速放大器與兩個 R_T電阻.該放大器只是通過, R_T將互補電流I₁和 I₂, 轉換成單端輸出電壓, V_O這個簡單的電路不允許以放大器為增益模塊放大信號.

圖18. 采用運算放大器的簡單差分到單端轉換器

方程3所示為V_O 與DAC輸出電流之間的關系.失真數(shù)據(jù)通過與R_T并聯(lián)的5pF電容進行測量

(3)

為了展示這個電路的性能,DAC與ADA4857 和 ADA4817 運算放大器配對,其中_T = 125Ω (and C_T = C_F = 5 pF與R_T 并聯(lián),以實現(xiàn)穩(wěn)定性和低通濾波）.單通道ADA4857-1和雙通道ADA4857-2為單位增益穩(wěn)定型、高速、電壓反饋放大器,具有低失真、低噪聲和高壓擺率等特點.作為眾多應用（包括超聲、ATE、有源濾波器、ADC驅動器等）的理想解決方案,其帶寬為850 MHz,壓擺率為2800 V/μs,0.1%建立時間為10ns——全部都是在5mA的靜態(tài)工作電流下實現(xiàn).ADA4857-1和ADA4857-2具有寬工作電壓范圍（5V至10V）,特別適合需要寬動態(tài)范圍、精密、高速度和低功耗的系統(tǒng)

ADA4817-1（單通道）和ADA4817-2（雙通道）FastFET?放大器是具有FET輸入的單位增益穩(wěn)定、超高速電壓反饋型運算放大器.它們采用ADI公司的專有超快速互補雙極性(XFCB)工藝制造,具有超低的噪聲（4nV/√Hz和2.5fA/√Hz）和極高的輸入阻抗.其輸入電容為1.3pF,最大失調電壓為2mV,功耗低(19mA),−3dB帶寬較寬(1050MHz),非常適合數(shù)據(jù)采集前端、光電二極管前置放大器以及其他寬帶跨阻應用.它們具有5V至10V的寬電源電壓范圍,可采用單電源或雙電源供電,適合包括有源濾波、ADC驅動和DAC緩沖在內的各種應用.

圖19比較了該電路在V_O = 500mV p-p 時相對于一個采用變壓器的電路的失真和頻率之間的關系.變壓器的失真低于放大器,后者的增益在高頻下不斷下降,但采用變壓器的失真卻在低頻下不斷變差.在此,可在有限范圍內實現(xiàn)接近90dB的SFDR,在高達10MHz時優(yōu)于70dB.

圖19. DAC、ADA4857和ADA4817的失真 V_O = 500 mV p-p, R_L = 1 kΩ

具有增益運算放大器: 第三個電路（圖20）也使用了相同的高速運算放大器,但所含電阻網(wǎng)絡拉遠了放大器與DAC之間的距離,支持增益設置,并可以利用V_REF1和 V_REF2兩個基準電壓之一調整輸出偏置電壓.

圖20. 支持增益和偏置功能的差分到單端轉換

方程4定義了DAC輸出電流與放大器輸出電壓在 V_REF1 = V_REF1 = 0. 時的關系.為了匹配DAC之外的放大器網(wǎng)絡的輸入阻抗R_T1 和 R_T2, 兩個端接電阻必須單獨設置,同時要考慮放大器的特性.

(4)

圖21比較了放大器在這種配置下的失真以及變壓器電路的失真. R_T1 = 143Ω, R_T2 = 200 Ω,R_F = R_G = 499Ω, C_F = 5pF出于穩(wěn)定性和高頻濾波考慮——且 R_L = 1kΩ. 在此ADA4817的性能可與變壓器在高頻下的性能相媲美,在最高70MHz時,其SFDR可維持在優(yōu)于-70dBc的水平.與變壓器相比,兩個運算放大器都能維持出色的低頻保真.

圖21. DAC、ADA4817和ADA4857的失真 V_O = 500 mV p-p

本文討論了將低失真、低噪聲、高速放大器用作DAC緩沖器的一些優(yōu)勢,并將其性能與變壓器進行了比較.同時比較了采用兩種不同架構的三類應用電路,并以實例展示了DAC和AD8129、ADA4857-1/ADA4857-2以及ADA4817-1/ADA4817-2放大器的測量數(shù)據(jù).數(shù)據(jù)顯示,放大器在頻率低于1MHz時的性能優(yōu)于變壓器,在頻率不超過80 MHz時,非常接近變壓器.在權衡考慮功耗和失真時,放大器的選擇非常重要.