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解析高速應(yīng)用中電流反饋運(yùn)放電路設(shè)計(jì)

  電流反饋放大器不受基本增益帶寬積的限制,隨著信號(hào)幅度的增加,帶寬的損失非常小。因?yàn)榭梢栽谧钚∈д娴臈l件下對(duì)大信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié),這些放大器在非常高的頻率下通常都具有優(yōu)異的線性度。而電壓反饋放大器的帶寬隨著增益的增加降低,電流反饋放大器在很寬的增益范圍上維持其大部分帶寬不變。

  正因?yàn)槿绱?,?zhǔn)確地說(shuō),電流反饋運(yùn)放沒(méi)有增益帶寬積的限制。當(dāng)然,電流反饋運(yùn)放也不是無(wú)限快,其壓擺率(Slew Rate)不受內(nèi)部偏置電流的限制,但受三極管本身的速度限制。對(duì)給定的偏置電流,這就容許不用通??赡苡绊懛€(wěn)定性的正反饋或其方法來(lái)獲得較大的壓擺率。

  那么如何構(gòu)建這些電路呢?電流反饋運(yùn)放具有一個(gè)與差分對(duì)相對(duì)的輸入緩沖器,該輸入緩沖器大多數(shù)情況下常常是射極跟隨器或其它非常類(lèi)似的電路。正相輸入端具有高阻抗,而緩沖器的輸出,即放大器的反相輸入具有低阻抗。相比之下,電壓反饋放大器的輸入都是高阻。

  電流反饋運(yùn)放的輸出是電壓,并且它與流出或流入運(yùn)放的反相輸入端的電流有關(guān),這由稱(chēng)為互阻抗(transimpedance)的復(fù)雜函數(shù)Z(s)來(lái)表示。在直流時(shí),互阻抗是一個(gè)非常大的數(shù),并且像電壓反饋運(yùn)放一樣,它隨著頻率的增加具有單極點(diǎn)滾降特性。

  電流反饋運(yùn)放靈活性的關(guān)鍵之一是具有可調(diào)節(jié)的帶寬和可調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性。因?yàn)榉答侂娮璧臄?shù)值實(shí)際上改變放大器的交流環(huán)路的動(dòng)態(tài)特性,所以能夠影響帶寬和穩(wěn)定性?xún)蓚€(gè)方面。加之具有非常高的壓擺率和基于反饋電阻的可調(diào)節(jié)帶寬,你可以獲得與器件的小信號(hào)帶寬非常接近的大信號(hào)帶寬。在甚至更好的情況下,該帶寬在很寬的增益范圍內(nèi)大部分都維持不變。而因?yàn)榫哂泄逃械木€性度,你也可以在高頻大信號(hào)時(shí)獲得較低的失真。

  如何發(fā)現(xiàn)最佳的反饋電阻RF

  由于放大器的交流特性部分地取決于反饋電阻,這就讓我們能夠針對(duì)每一個(gè)特定的應(yīng)用量身定制放大器。降低反饋電阻的數(shù)值將提升環(huán)路增益。為了保持穩(wěn)定性和最大的帶寬,在低增益時(shí),反饋電阻要設(shè)置為較高的數(shù)值;隨著增益的上升,環(huán)路增益自然降低。如果需要高的增益,可以利用較小的反饋電阻來(lái)部分地恢復(fù)環(huán)路增益。

  所以,我們不必犧牲太多的帶寬就已經(jīng)獲得了很高的穩(wěn)定性。在如此有限的帶寬內(nèi),利用如此高速的放大器的原因在于它提供優(yōu)異的信號(hào)保真度。

  電路板的布局

  一般來(lái)說(shuō),在電流反饋放大器或高速器件的應(yīng)用中,要仔細(xì)考慮的事情之一就是電路板的布局設(shè)計(jì)。表面安裝的陶瓷電源旁路電容要非常靠近該器件,典型距離小于3mm。如果需要更大的電容,可以在電路板上較遠(yuǎn)的地方布置電解電容。電路板上常常有電壓調(diào)節(jié)器,這時(shí),在電壓調(diào)節(jié)器供應(yīng)商推薦的電解電容之外,不必要采用額外的電解電容。

  布置在放大器附近的小陶瓷旁路電容為放大器的高頻響應(yīng)提供能量。根據(jù)放大器的速度和被放大的信號(hào)速度,可能要采用兩個(gè)數(shù)值大約相差10倍的陶瓷電容。例如,一個(gè)400MHz的放大器可能采用并連安裝的0.01uF和1nF電容。

  當(dāng)購(gòu)買(mǎi)電容時(shí),核查其自諧振頻率至關(guān)重要,自諧振頻率在此頻率(400MHz)上下的電容毫無(wú)益處。地和電源層有助于為地電流和電源電流兩者提供低的阻抗路徑,在放大器的輸入和輸出引腳以及反饋電阻的下面,要避免走地和電源層,這樣做有助于通過(guò)減小不想要的寄生電容來(lái)維持放大器的穩(wěn)定性。

  要在可能的地方嘗試采用表面貼裝器件,這些器件提供最佳的性能并占用的電路板空間也最小。電路板的布線應(yīng)該保持盡可能地短,并應(yīng)該調(diào)整其長(zhǎng)寬以最小化寄生效應(yīng)。在電源布線上,最壞的寄生特性是直流電阻和自感,所以電源布線要盡可能地寬。另一方面,輸入和輸出連接線常常承載非常小的電流,所以容性寄生效應(yīng)對(duì)它們的危害最大。對(duì)于超過(guò)1cm的信號(hào)路徑,最好采用受控阻抗和兩端終接(匹配電阻)的傳輸線。

  因?yàn)闊o(wú)法避免小量的寄生負(fù)載,電流反饋放大器的反饋電阻為特殊應(yīng)用提供調(diào)整放大器性能的靈活性。面對(duì)真正具有挑戰(zhàn)性的電路板設(shè)計(jì),即使采用非常大的反饋電阻可能也是不夠的。

  驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載

  通過(guò)引入一個(gè)電阻(ROUT),放大器幾乎可以驅(qū)動(dòng)任何大小的電容而沒(méi)有穩(wěn)定性問(wèn)題。這是電壓和電流兩種反饋放大器常用的技術(shù),當(dāng)驅(qū)動(dòng)高速模/數(shù)轉(zhuǎn)換器時(shí),該技術(shù)特別有用。ROUT電阻被放置在運(yùn)放和容性負(fù)載(即ADC)之間。只要電路板空間允許,要把電阻靠近放大器放置。

  因?yàn)殡娮韬碗娙菪纬梢环N低通濾波器,對(duì)于這種電路的應(yīng)用,存在某種帶寬的損失。實(shí)際應(yīng)用表明,無(wú)論電阻阻值多大,電容越大就越難驅(qū)動(dòng),并降低帶寬。

  降低系統(tǒng)噪聲

  如果你正在構(gòu)建一種IF放大器或低頻RF放大器,那么把噪聲最小化就特別重要。利用電流反饋放大器,增加反饋電阻常常能減小系統(tǒng)的噪聲,這是因?yàn)轭l率響應(yīng)衰減得比電阻噪聲的上升要快。

  為了減小跟隨放大器電路的那部分噪聲,非常重要的一點(diǎn)是僅僅采用必需的帶寬,而不要選用超過(guò)應(yīng)用需求的帶寬。除了采用反饋電阻的最佳數(shù)值之外,你可以給電路添加附加的濾波電路。

  利用Sallen-Key濾波器拓?fù)?,濾波器常常可以被恰當(dāng)?shù)睾喜⒌椒糯笃鞯姆答伨W(wǎng)絡(luò)中。如果可能的話(huà),交流耦合將有助于消除低頻噪聲,那常常就是所謂的1/f噪聲,目標(biāo)是濾除在你的放大帶寬之外的所有噪聲。從系統(tǒng)的層面考慮,要求在電路中盡早布置最低噪聲和最高增益的模塊。你提高增益越早,其后噪聲對(duì)你的信號(hào)的影響就越小。如果可能的話(huà),要避免大的信號(hào)源電阻,電阻增加的熱噪聲與電阻值成正比。

  電壓反饋放大器的優(yōu)勢(shì)

  如果比較電流反饋和電壓反饋兩種放大器,你會(huì)發(fā)現(xiàn)電壓反饋放大器在某些方面可能具有一定優(yōu)勢(shì)。利用電流反饋拓?fù)洌斎肫秒娏鞑](méi)有系統(tǒng)地匹配。正相輸入比反相輸入阻抗更大通常具有更低的輸入偏置電流。反相輸入偏置電流通常將比較大,如果偏置電流必須流過(guò)大阻值的電阻的話(huà),這樣做可能導(dǎo)致輸入電壓的偏移。

  在電流反饋器件上的偏移電壓可以被匹配并使之相當(dāng)小,但從系統(tǒng)的觀點(diǎn)看,它們不可能完全為零。所以,雖然典型的電流反饋放大器的偏置電壓可以被設(shè)計(jì)得非常好,但是它將隨著正常的工藝批號(hào)及溫度而變化比較大。如果需要非常高精度的輸入偏置電壓,那么電壓反饋放大器通常是比較好的選擇。

  電流反饋放大器的緩沖器配置需要一個(gè)反饋電阻,而電壓反饋放大器可以采取直接短路連接。這樣做通常沒(méi)有問(wèn)題,除非在設(shè)計(jì)中取代現(xiàn)有的電壓反饋放大器。最后,在電流反饋放大器的反饋環(huán)路中,電容會(huì)引起不穩(wěn)定性。一些常用的電路拓?fù)洳贿m合于電流反饋放大器,對(duì)于大多數(shù)這些電路,需要重新設(shè)計(jì)電路板,以使之滿(mǎn)足電流反饋放大器工作的要求。