高速放大器設(shè)計三大常見問題和解決方案

在使用高速放大器進(jìn)行設(shè)計時，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）。（這些概念也適用于低速器件。）以下設(shè)計師在使用高速放大器時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)曲線中具有第二個高于0 dB的極點(diǎn)。這第二個極點(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、信號鏈中的增益級和跨阻電路。

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)計人員都了解電壓反饋體系結(jié)構(gòu)，因為它們在大多數(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，因為RF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)驗板上時會發(fā)生振蕩？

答：一般而言，封裝引線的電感以及電路試驗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)計時，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設(shè)計注意事項。

可通過以下幾種方法來優(yōu)化高速布局設(shè)計：

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)計而言，固定接地平面通常比散列平面更佳。

去除信號走線下方的接地層。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。

最小化信號路徑上的通孔。通孔會增加電感，并可能在高于100 Mhz的頻率下引起信號保真度問題。為降低信號保真度，請將關(guān)鍵信號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。信號走線布局設(shè)計應(yīng)盡量減少整個信號路環(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，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，并使用SMA連接器來維持高保真度和阻抗受控的信號路徑。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。

審核編輯：郭婷