如何攻克高速放大器設(shè)計(jì)三大常見問題?
發(fā)布時(shí)間:2020-10-08 來源:TI 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】在使用高速放大器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),一定要熟悉其通用的規(guī)格并了解其特定概念。在本文中,高速放大器是指增益帶寬積(GBW)大于或等于50 MHz的運(yùn)算放大器(op amps),但這些概念也適用于低速器件。以下設(shè)計(jì)師在使用高速放大器時(shí)遇到的一些常見問題。
問:為什么某些高速運(yùn)算放大器具有最小增益規(guī)格?
答:失補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)算放大器具有閉環(huán)最小增益穩(wěn)定規(guī)格,但與單位增益穩(wěn)定的同類產(chǎn)品相比,在相同電流消耗下,其可提供更大的GBW??和更低的噪聲。
“失補(bǔ)償”僅表示Aol(開環(huán)增益)響應(yīng)曲線中具有第二個(gè)高于0 dB的極點(diǎn)。這第二個(gè)極點(diǎn)還規(guī)定了確保放大器穩(wěn)定性所需的最小增益。想象一下Aol曲線“上移”,如圖1所示。增加的Aol會(huì)導(dǎo)致更寬的帶寬。
圖1:失補(bǔ)償放大器的開環(huán)增益響應(yīng)曲線
縮小放大器輸入對中的負(fù)反饋電阻的尺寸會(huì)增加Aol,如圖2所示。更小的負(fù)反饋電阻還有助于降低放大器噪聲。
圖2:運(yùn)算放大器中的負(fù)反饋電阻
OPA858 和 OPA859分別是失補(bǔ)償和單位增益穩(wěn)定放大器的兩個(gè)示例。對于相同的電流消耗,OPA858 具有更寬的帶寬和更低的噪聲,如表1所示。
表1:比較失補(bǔ)償?shù)姆糯笃骱蛦挝辉鲆娣€(wěn)定的放大器
除增加帶寬和降低噪聲外,失補(bǔ)償體系結(jié)構(gòu)還可實(shí)現(xiàn)更高的壓擺率??傮w而言,最小增益規(guī)格提供了性能折衷。這意味著如果您放棄單位增益并滿足最小增益要求,則可利用該性能。有望輕松滿足最小增益規(guī)格的應(yīng)用示例包括電流檢測電路。其可測量并聯(lián)電阻上的電壓、信號(hào)鏈中的增益級(jí)和跨阻電路。
問:什么是電流反饋放大器?
答: 電流反饋放大器是一種通過將一部分輸出信號(hào)作為電流反饋以實(shí)現(xiàn)對于放大器的控制的運(yùn)算放大器。電流反饋放大器不同于依賴于電壓形式的反饋的電壓反饋放大器。大多數(shù)設(shè)計(jì)人員都了解電壓反饋體系結(jié)構(gòu),因?yàn)樗鼈冊诖蠖鄶?shù)電子課程中它們很常見并作為重點(diǎn)出現(xiàn)。
圖3提供了電壓和電流反饋放大器體系結(jié)構(gòu)的基本輸入級(jí)比較,其中電壓反饋放大器建模為電壓控制電壓源,電流反饋放大器建模為電流控制電壓源。
圖3:比較電壓和電流反饋運(yùn)算放大器體系結(jié)構(gòu)
兩種體系結(jié)構(gòu)仍被用作負(fù)反饋電路中的誤差放大器,但它們所需的反饋類型有所差異。例如,您可在反相和同相增益配置中使用其中任何一種放大器。電流反饋體系結(jié)構(gòu)的一個(gè)明顯優(yōu)勢是帶寬不取決于增益。但在電壓反饋體系結(jié)構(gòu)中,隨著增益的增加,帶寬減小,如公式1所示:
如圖4所示,在電流反饋體系結(jié)構(gòu)中,無論增益如何,帶寬幾乎保持恒定,。該圖如THS3491數(shù)據(jù)表中所示。
圖4:電流反饋運(yùn)算放大器的增益和帶寬關(guān)系
表2比較了電壓和電流反饋放大器之間的一些主要區(qū)別。
表2:比較電壓反饋和電流反饋放大器的應(yīng)用
請注意:電流反饋放大器的操作并非指在反饋路徑中沒有電阻。電流反饋放大器數(shù)據(jù)手冊將對RF的指定值提出建議;這些值很重要,因?yàn)镽F值決定了放大器,甚至單位增益的補(bǔ)償。如圖4,表3來自THS3491數(shù)據(jù)表。
表3:來自THS3491數(shù)據(jù)表的RF 推薦值示例
有關(guān)這兩種體系結(jié)構(gòu)之間差異的更多詳細(xì)信息,請查看了解電壓反饋和電流反饋放大器。還可通過觀看TI高精度實(shí)驗(yàn)室在線培訓(xùn)視頻來了解有關(guān)電流反饋體系結(jié)構(gòu)的更多信息。
問:為什么將高速放大器放在電路實(shí)驗(yàn)板上時(shí)會(huì)發(fā)生振蕩?
答:一般而言,封裝引線的電感以及電路試驗(yàn)板的電容和電感很可能導(dǎo)致高速放大器振蕩。同樣,在使用高速運(yùn)算放大器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),最小化印刷電路板(PCB)上的電容和電感是至關(guān)重要的。即使是高速放大器GBW頻譜下端的器件,如50MHz OPA607,也需要這些類型的電路板級(jí)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。
可通過以下幾種方法來優(yōu)化高速布局設(shè)計(jì):
• 最小化走線長度。最小化走線長度可減少額外的電容和電感。
• 使用固定接地平面。對于高速設(shè)計(jì)而言,固定接地平面通常比散列平面更佳。
• 去除信號(hào)走線下方的接地層。去除器件輸入和輸出下方的接地層金屬有助于減少敏感節(jié)點(diǎn)上的寄生電容。
• 最小化信號(hào)路徑上的通孔。通孔會(huì)增加電感,并可能在高于100 Mhz的頻率下引起信號(hào)保真度問題。為降低信號(hào)保真度,請將關(guān)鍵信號(hào)與放大器在同一層布線,以消除任何通孔。
• 優(yōu)化返回電流路徑。信號(hào)走線布局設(shè)計(jì)應(yīng)盡量減少整個(gè)信號(hào)路環(huán)面積,從而使電感最小。
• 正確放置和布線旁路電容器。在電路板的同一層上,放置旁路電容器時(shí)應(yīng)盡可能靠近放大器。使用較寬的走線,并將測通孔布線到旁路電容器,然后再到放大器,而非布線在電容器和放大器之間。
• 正確放置電阻。將增益設(shè)定電阻、反饋電阻和串聯(lián)輸出電阻置于靠近器件管腳的位置,以最大程度地減少電路板寄生效應(yīng)。
評估高速運(yùn)算放大器的性能時(shí),最好對特定器件使用指定的評估模塊。這些電路板展示了良好的高速電路板布局設(shè)計(jì),并使用SMA連接器來維持高保真度和阻抗受控的信號(hào)路徑。有關(guān)高速電路板布局實(shí)踐的更多詳細(xì)信息,請閱讀高速PCB布局技術(shù)。
總體而言,高速運(yùn)算放大器的運(yùn)行方式與低速運(yùn)算放大器相當(dāng)。只需考慮一些設(shè)計(jì)上的細(xì)微差別,就可以利用它們?yōu)槟愕南到y(tǒng)提供的所有速度和性能優(yōu)勢。以上哪些問題與您最相關(guān)?請?jiān)谙路桨l(fā)表評論。
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