使用有源匹配电路改善宽带全差分放大器的噪声性能

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1、自从1999年首次面世以来，宽带全差分放大器(FDA)的单端至差分应用经常将一个接地电阻用作输入匹配电路的一部分，代价是更高的以输入为参考的噪声电压。如果可以去除那个电阻，输入阻抗匹配电路仅由进入求和点的路径确定，那么就有可能得到低得多的以输入为参考的噪声。当输入匹配电路可以通过一个大于1GHz的共模环路带宽保持在很高频率时，这是一个可行的方案。本文将介绍两种方法的设计公式，并比较以输入为参考的噪声对目标增益的影响。使用全差分放大器实现的单端至差分转换日益普及的全差分放大器(FDA)支持的更加有用的功能之一是将单端信号源转换为所有现代ADC输入要求的差分输出信号

2、。这些设计可以是直流或交流耦合设计。当采用直流耦合时，需要留意输入共模范围，在这种情况下双极电源对许多FDA来说是很有用的。如果有更高速度要求，那么单电源更加常见，并且通常要求使用输入匹配电路来匹配某些源阻抗，以便限制反射和/或SFDR劣化。虽然单电源FDA可以提供直流耦合路径，但本文将介绍一种交流耦合方法，它能取消输入共模范围这一考虑因素。只要输入保持在一定范围内，这些相同结果也可以应用于直流耦合设计。图1显示了双重端接50Ω输入设计的典型交流耦合式实现。这种设计可以进一步改进为增益为5V/V的目标设计例子，这可以从使用499Ω反馈元件、并使用免费的Spice

3、仿真器产生原理图开始(参考文献1)。图1：增益为5V/V(14dB)、输入阻抗为50Ω的交流耦合式单端至差分设计。对这类电路来说有几个常见的考虑因素——1.反馈电路是相等的。2.输入阻抗等于Rt和看向Rg1的阻抗的组合。3.通过FDA内共模环路的作用，看向Rg1的阻抗将增加到超过Rg1的值(参考文献2)。这个环路的作用是使输出共模电压保持不变，进而导致输入共模电压随输入信号变化而改变，增加朝Rg1看的外在输入阻抗。4.电阻Rg2用于取得差分平衡，等于Rg1 +Rt

4、

5、Rs。5.当Rg2设置好后，这个电路的噪声增益(NG)就等于1+Rf/Rg2。6.由于输入路径上

6、采用的是交流耦合，因此直流I/O工作电压默认为内部产生的Vcm参考电压(对这个3.3V单电源器件来说是1.2V)。这个Vcm控制了输出共模电压，但由于没有直流电流路径返回到输入端，Vcm也就确定了直流输入共模工作电压。上述特定例子使用的是一种非常低噪声的4GHz增益带宽FDA-ISL55210。在本例中，设计从选择Rf的值开始，然后求出Rt和Rg1元件的值。在Rt和Rg1元件之间划分输入匹配贡献方面几乎没有供应商指导。可供权衡的因素是，Rg1元件变小(Rt变大)将减小输入噪声和扩展带宽(针对基于电压反馈的FDA)。朝这个方向进行下去将更多地取决于共模环路带宽，并

7、将输入匹配设进Rg1路径(参考文献2)。虽然获得图1电路中电阻值的最常见方法是反复或近似方法，但为目标增益(Av)和输入阻抗(Rs)选取Rf可以巧妙地变为针对Rt的二次方程求解(参考文献3)。为零解出系数分母将得到最小值Rf，Rt变得无穷大，并且仅取决于匹配电路的Rg1输入路径。在本例中，这将求解出160.71Ω。当Rf朝着这个Rfmin不断变小时，Rg元件将增加，而Rt将趋于无穷大。当逐渐减小的Rf选好后，使用公式1可以得到Rt的值，然后由下面这些表达式确定另外两个电阻——单端至差分FDA的噪声分析一旦使用这些设计公式确定了一组电阻值之后，就可以将这些电阻值放

8、进噪声分析电路来获得总的输出差分点噪声。如图2电路所示，所有元件对噪声都有贡献，其中噪声项被显示为点噪声电压和电流。针对本例中Rf和Rg元件相等且电流噪声项相等的情况，总的输出噪声表达式非常简单，如公式5所示。其中NG代表噪声增益，等于1+Rf/Rg。(ISL55210数据手册第14页)图2：针对FDA的噪声分析电路。任何基于电压反馈的宽带FDA都能使用这个设计流程将实现电阻值减小到公式2允许的最小值。表1显示了适用这种分析的一些最小噪声宽带增益宽带乘积(GBP)FDA。表1：一些现代FDA器件和关键参数。针对图1所示的设计例子逐步减小Rf，重新计算其它电阻值，

9、然后就能得出表2所示的以输入为参考的噪声结果。对这4个例子器件的任何一个来说电阻值(实际值)是相同的，在50Ω输入匹配时从Rt输入端看的增益为5V/V(参考文献4)。以公式5得到的输出噪声为参考的输入增益为5，此时每种器件的估计输入点噪声见表2(其中仍包含假设的嵌入图2中Rg元件的50Ω源噪声)。表2：电阻值和结果噪声列表。由于减小了电阻噪声贡献和噪声增益，所以减小Rf设计值将同样减少噪声。160.71Ω的最小值使Rt趋于无穷大，进而获得可能最小的输入噪声和噪声增益。不断下降的噪声增益(当Rt开路时等于1+Av/2)也将扩展这些电压反馈器件的带宽。减小这些电阻的

10、一种好处是共模控制环路带