AN-2509:利用 AD8042 运算放大器构建用于电压输出和电流输出 DAC 的单端转差分转换器

电路功能与优势

采用单端信号传输方式时，从信号源引出的一根导线在整个系统中走线，最终连接到数据采集接口。测量的电压为信号与接地之间的差值。遗憾的是，由于接地阻抗永远不可能为零，因此不同地方的接地可能具有不同的电平。这可能导致使用单端输入时出现误差，尤其是在信号走线较长且接地电流包含较大数字瞬态的情况下。单端信号线路对噪声拾取敏感，因为这种线路会充当天线。使用单端输入时，无法区分信号和干扰噪声。大多数接地和噪声问题可通过差分信号传输得到解决。

采用差分信号传输方式时，两根信号线从信号源引出，连接到数据采集接口。这种方式能够解决单端连接造成的两个问题。发送和接收接地平面之间的噪声充当共模信号，因此会被大大衰减。使用双绞线会导致噪声拾取表现为共模信号，其在接收器处也会被大大衰减。差分传输的另一个优点是差分信号的幅度是等效单端信号的两倍，因此抗扰度更强。

本文介绍了一种差分驱动器，它可以适配于电压输出或电流输出 DAC。该驱动器基于双通道运算放大器 AD8042，配置为交叉耦合差分驱动器。AD8042 具有轨到轨输出级，其输出范围为距离任一供电轨 30 mV。同时，其输入级的工作电压可以低于负电源（本电路中为地）200 mV，并可上探至正电源 1 V 以内。此外，AD8042 具有 160 MHz 带宽和快速建立时间，这使其成为输出驱动器的理想选择。

电压输出 DAC 为 12 位 AD5620，属于 nanoDAC^®系列。该 DAC 内置一个 5 ppm/°C 片内基准电压源，采用 8 引脚 SOT-23 或 MSOP 封装。电流输出 DAC为 12 位 AD5443，采用 10 引脚 MSOP 封装。

这两个电路为工业 CMOS DAC 差分信号的生成提供了一种低成本、低功耗、板面积小的解决方案。两个电路均采用+5 V 单电源供电。

电路描述

图 1 所示电路通过+5 V 单电源供电，并采用电压输出 DAC AD5620。DAC 的输入由 SPI 端口控制。DAC 的输出在 0 V 和+5 V 之间摆动。片内 DAC 基准电压源(+2.5 V)用于设置 AD8042 差分驱动电路的共模电压。此基准电压源的温漂为 5 ppm/°C。

U2-A 同相输入端信号=DAC输出经R1R2分压后为1.25V±1.25V，该信号由 U2-A 放大 2 倍变为 2.5V±2.5V 穿在在 V+。

U2-B同相输入的2.5V放大2倍变为5V出现在V-；同时V+的2.5V±2.5V反相放大变为-2.5V±2.5V出现在 V-；二者合并后变为 2.5V±2.5V。

驱动器的输入和输出波形如图 2 所示。差分输出只会逼近每个供电轨约 30 mV；因此，如果 DAC 在这些区域内工作，会有一定的削波。

图 3 所示电路也通过+5 V 单电源供电，并采用电流输出 DAC AD5443，该 DAC 在 IOUT2 引脚连接到+2.5 V、VREF 引脚接地的模式下工作。使用 4.096 V精密基准电压源 ADR444 和一个分压网络来生成DAC IOUT2 引脚的+2.5 V 电压和输出驱动级的+3.75 V 共模电压。

后面电路是一样的。Vin：U2-A 同相输入端 2.5V，经 DAC 内部(1+Rfb/Rdac)放大后变为 3.75V 直流偏置出现在 VIN 节点；U2_B 输出 3.75V 到 U3-B 同相输入端。(U3-B 同相反相输入画反)

在这些条件下，U2-A 的输出摆幅为+2.5 V 至+5 V。驱动器的差分输出只会逼近正供电轨约 30 mV；因此，如果 DAC 在此区域内工作，会有一定的削波。图 4 显示了图 3 所示输出驱动级的相应输入和输出波形。

单端转差分电路级的带宽通常为 10 MHz。然而，最大输出频率由 DAC 更新速率控制，AD5620 的更新速率为 125 kSPS，AD5443 为 2.5 MSPS。受采样理论限制，最大输出频率为最大更新速率的约三分之一。

为使所讨论的电路达到理想的性能，必须采用良好的布局、接地和去耦技术（请参考 指南 MT-031 和 指南 MT-101）。