AD8170/AD8174高速緩沖多路復用器：特性、應用與設計要點

在電子設計領域，高速緩沖多路復用器是實現(xiàn)信號切換和處理的關鍵組件。AD8170(2:1)和AD8174(4:1)作為兩款非常高速的緩沖多路復用器，在眾多高速應用場景中發(fā)揮著重要作用。下面將詳細介紹它們的特性、應用以及設計過程中的注意事項。

文件下載：AD8170.pdf

一、器件特性

電氣特性

1. 高速性能：具有250 MHz帶寬（G = +2），1000 V/μs的壓擺率，通道切換速度快至10 ns，建立時間僅15 ns至0.1%，能滿足高速信號處理需求。 在當今高速發(fā)展的電子技術領域，AD8170/AD8174高速緩沖多路復用器憑借其卓越的電氣特性脫穎而出。下面我們來詳細探討其各項特性及其在實際應用中的重要意義。

電氣特性

高速性能

AD8170和AD8174具備令人矚目的高速性能。它們擁有250 MHz的帶寬（G = +2），這意味著在高頻信號處理方面表現(xiàn)出色，能夠準確傳輸和處理高頻信號，減少信號失真。1000 V/μs的壓擺率使得信號能夠快速變化，適應高速變化的信號環(huán)境。通道切換速度快至10 ns，這對于需要快速切換信號通道的應用場景，如視頻切換、高速數(shù)據(jù)采集等非常關鍵，能夠大大提高系統(tǒng)的響應速度。而建立時間僅15 ns至0.1%，確保了信號在切換后能夠迅速穩(wěn)定，為后續(xù)的信號處理提供了可靠的基礎。那么問題來了，在實際的高速信號處理系統(tǒng)中，這種快速的建立時間能夠為整個系統(tǒng)的性能帶來哪些具體的提升呢？

輸出驅動能力

內部電流反饋輸出放大器能夠提供高達50 mA的輸出驅動電流，可輕松驅動多種負載，滿足不同的應用需求。例如在驅動一些外部的高功率設備或者長傳輸線時，強大的輸出驅動能力就顯得尤為重要，那么在實際應用中，我們如何根據(jù)負載的具體情況來充分發(fā)揮其輸出驅動能力的優(yōu)勢呢？

增益設置靈活性

可通過外部電阻靈活設置增益，為不同的應用場景提供了定制化的可能。在不同的信號處理需求下，我們可以根據(jù)實際情況調整外部電阻，從而獲得合適的增益。但是在調整增益的過程中，需要注意哪些問題才能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準確性呢？

低功耗與高穩(wěn)定性

功耗小于10 mA，屬于低功耗器件，能夠有效降低系統(tǒng)的能耗。同時，具有出色的視頻規(guī)格，如增益平坦度、差分增益誤差和差分相位誤差控制在極小范圍內，低串擾（ –78 dB @ 5 MHz ）和高隔離度（關閉隔離度–88 dB @ 5 MHz，關斷隔離度–92 dB @ 5 MHz ），確保了信號的高質量傳輸。在設計低功耗、高穩(wěn)定性的系統(tǒng)時，我們又該如何進一步優(yōu)化其功耗和穩(wěn)定性呢？

特殊功能

AD8174具有快速輸出禁用功能和關斷功能?？焖佥敵鼋霉δ芸蓪⑤敵鲋糜诟咦杩範顟B(tài)，便于多個設備級聯(lián)；關斷功能可將功耗降低至1.5 mA，在不需要使用時大大降低能耗。在實際的多設備級聯(lián)系統(tǒng)中，這些功能如何協(xié)同工作以提高整個系統(tǒng)的效率和性能呢？

二、應用場景

視頻領域

• “畫中畫”像素切換：其高速切換和良好的視頻規(guī)格，能夠確保不同視頻信號的快速切換和高質量顯示。想象一下在一個電視畫面中同時顯示多個小窗口的視頻內容，這就需要多路復用器能夠快速準確地切換信號，并且保證每個視頻信號的清晰度和色彩還原度。
• LCD和等離子顯示器：為顯示器提供穩(wěn)定的信號輸入，保障圖像的清晰顯示。在顯示器的驅動電路中，AD8170/AD8174能夠準確地切換不同的信號源，并且對信號進行放大和處理，使得顯示器能夠呈現(xiàn)出高質量的圖像。那么在不同尺寸和分辨率的顯示器中，如何選擇合適的參數(shù)來使用這兩款多路復用器呢？
• 視頻路由器：實現(xiàn)視頻信號的快速路由和切換，滿足復雜的視頻傳輸需求。在視頻監(jiān)控系統(tǒng)或者電視臺的信號傳輸系統(tǒng)中，視頻路由器需要快速地將不同的視頻信號路由到指定的輸出端口，AD8170/AD8174的高速性能和低串擾特性正好能夠滿足這種需求。在設計視頻路由器時，如何優(yōu)化其路由算法以充分發(fā)揮這兩款多路復用器的性能呢？

其他領域

在一些需要高速信號切換和處理的系統(tǒng)中，如高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等，AD8170/AD8174也能發(fā)揮重要作用。在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，它們可以快速切換不同的傳感器信號，提高采集效率。在通信系統(tǒng)中，能夠實現(xiàn)信號的快速路由和處理，提高通信的穩(wěn)定性和可靠性。那么在這些不同的領域中，還需要考慮哪些因素來確保它們的正常工作呢？

三、工作原理

信號鏈結構

AD8170/AD8174將寬帶模擬開關與高速電流反饋放大器集成在一起。輸入開關采用互補雙極跟隨器級，通過電流控制技術實現(xiàn)開關的快速切換，開關時間小于10 ns，且能確保低開關瞬態(tài)。電流反饋放大器提供高達50 mA的驅動電流，整體增益和頻率響應可通過外部電阻設置，具有很高的靈活性。在實際的電路設計中，我們如何根據(jù)具體的需求來調整外部電阻以優(yōu)化信號鏈的性能呢？

開關控制

以AD8174為例，四個開關的輸出連接在一起，驅動電流反饋放大器的正輸入，形成4:1多路復用器，同一時間只有一個通道導通。通過使ENABLE引腳置高，可關閉放大器的電源電流，使輸出呈高阻抗狀態(tài)，便于在大型陣列中使用；使SD引腳置高，可關閉所有開關、部分邏輯控制電路和放大器的電源電流，將靜態(tài)電流降至1.5 mA。在使用這些控制功能時，需要注意哪些時序和電平要求呢？

四、設計要點

外部電阻選擇

增益和帶寬由板載電流反饋放大器的閉環(huán)增益和帶寬決定，可通過外部電阻反饋網(wǎng)絡進行定制。推薦選擇表中電阻以獲得最寬的0.1 dB帶寬和最小的峰值。對于需要精確控制帶寬的應用，建議使用1%精度的電阻。不同封裝（DIP和SOIC）的寄生參數(shù)可能不同，可能需要微調電阻值以獲得最佳頻率性能。如果想要獲得比表中更寬的帶寬，可以減小RF，但會增加峰值。那么在實際選擇電阻時，如何權衡帶寬和峰值之間的關系呢？

電容負載處理

對于電流反饋放大器，負載電容越高，為保證穩(wěn)定運行所需的反饋電阻越高。為獲得寬帶寬和清晰的脈沖響應，建議使用小的輸出電阻。表中提供了不同負載電容下能實現(xiàn)最佳脈沖響應的反饋和串聯(lián)電阻值。在設計電路時，如何根據(jù)實際的負載電容情況來選擇合適的電阻呢？

過載處理

存在三種重要的過載情況：輸入電壓過載、輸出電壓過載和放大器負反饋輸入的電流過載。在增益為1時，輸入電壓超出輸入開關電壓范圍后的恢復時間通常小于30 ns；輸出過載恢復時間較慢，取決于過載程度，15%過載恢復時間小于60 ns，50%過載恢復時間約為85 ns。在高增益應用中，輸入過載可能導致輸入級大電流，內部限制為40 mA，需考慮對總功耗的影響。在實際的系統(tǒng)設計中，如何采取有效的措施來應對這些過載情況，以保護多路復用器和整個系統(tǒng)的安全呢？

布局注意事項

要實現(xiàn)AD8170和AD8174的高速性能，需要精心設計電路板布局和選擇低寄生參數(shù)的元件。避免使用繞線板、原型板和插座，建議使用表面貼裝元件直接焊接到印刷電路板（PCB）上。PCB應具有覆蓋元件面未使用部分的接地平面，以提供低阻抗接地路徑，但應去除輸入和輸出引腳附近的接地平面以減少雜散電容。使用片式電容器進行電源旁路，一端連接接地平面，另一端靠近每個電源引腳。還應并聯(lián)一個大的鉭電容（4.7 μF - 10 μF）以在寬頻率范圍內提供低阻抗電源旁路。信號走線應盡量短，長信號走線（超過約1英寸）應使用帶狀線或微帶線技術，設計特征阻抗為50 Ω或75 Ω，并使用表面貼裝元件進行適當端接。為減少串擾，信號走線之間應設置保護線（接地或電源線），輸入和輸出信號線應盡量遠離多路復用器。如果有多個信號層，采用埋入式帶狀線結構，在信號走線上下和中間設置接地平面，可獲得最佳串擾性能。同時，要注意終端電阻的位置，避免返回電流增加串擾。在實際的PCB設計中，如何平衡這些布局要求以實現(xiàn)最佳的性能呢？

五、應用案例

8 - 1視頻多路復用器

將兩個AD8174 4 - 1多路復用器與一個數(shù)字反相器組合，可實現(xiàn)8 - 1多路復用器。ENABLE控制引腳允許兩個運算放大器輸出直接連接。當ENABLE引腳置高時，關閉輸出運算放大器的電源電流，使其輸出和反相輸入呈高阻抗狀態(tài)。地址線的兩個最低有效位（LSB）直接連接到兩個AD8174的A0和A1輸入，第三個地址線直接連接到一個器件的ENABLE輸入，并經(jīng)過反相后連接到另一個器件的ENABLE輸入。這樣，當一個器件啟用時，另一個器件呈高阻抗狀態(tài)。在這個應用中，啟用器件的運算放大器需要驅動兩個反饋網(wǎng)絡。在設計這種多路復用器時，如何優(yōu)化驅動能力和信號質量呢？

彩色文檔掃描儀

在彩色文檔掃描儀中，電荷耦合器件（CCD）輸出的紅、綠、藍三個信號流需要進行處理。相關雙采樣器（CDS）消除CCD常見的較大偏移。然后使用AD8174將三個信號流多路復用到AD876 8 - 或10 - 位20 MSPS ADC中。由于AD8174帶寬高，可直接驅動AD876的開關電容輸入級，無需額外緩沖。ADC采樣率為20 MHz，采樣周期為50 ns，假設占空比為50%，信號鏈需在25 ns內建立，AD8174的0.1%建立時間為15 ns，可輕松滿足要求。此外，AD8174的第四個通道可用于測量參考電壓，減少溫度漂移對測量的影響。在這個應用中，如何確保信號的準確采集和處理呢？

綜上所述，AD8170和AD8174高速緩沖多路復用器憑借其出色的性能和豐富的功能，在多個領域都有廣泛的應用前景。但在實際設計和應用過程中，需要充分考慮各種因素，合理選擇參數(shù)和布局，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和高性能。希望本文能為電子工程師在使用這兩款多路復用器時提供一些有價值的參考。你在使用AD8170/AD8174的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。