高速放大器設(shè)計三大常見問題， TI 幫您攻克

在使用高速放大器進行設(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的運算放大器（op amps），但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：為什么某些高速運算放大器具有最小增益規(guī)格？

答：失補償?shù)倪\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。這第二個極點還規(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反饋電阻的尺寸會增加Aol，如圖2所示。更小的負反饋電阻還有助于降低放大器噪聲。

圖2 運算放大器中的負反饋電阻

 OPA858 和 OPA859 分別是失補償和單位增益穩(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，失補償體系結(jié)構(gòu)還可實現(xiàn)更高的壓擺率。總體而言，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現(xiàn)對于放大器的控制的運算放大器。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算放大器體系結(jié)構(gòu)

兩種體系結(jié)構(gòu)仍被用作負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

問：為什么將高速放大器放在電路實驗板上時會發(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，在使用高速運算放大器進行設(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)高速電路板布局實踐的更多詳細信息，請閱讀 高速PCB布局技術(shù) 。

總體而言，高速運算放大器的運行方式與低速運算放大器相當(dāng)。只需考慮一些設(shè)計上的細微差別，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)？請在下方發(fā)表評論。

有關(guān)這兩種體系結(jié)構(gòu)之間差異的更多詳細信息，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。