高性能放大器設計的考量因素

放大器被用于許多不同的應用中，它們可以被用做高速模數轉換器的輸入緩沖器、多個視頻負載的驅動器和測試儀器應用中的高速脈沖信號放大器等。目前，市場上的大多數高速(>50MHz)放大器的使用都非常方便，但是在適當的情況下，它們會變成非常穩定的振蕩器。高速放大器振蕩的最常見原因如下：

            1. 放大器的輸出未經緩沖而驅動容性負載；

            2. 電路板布局引入的附加電感或電容；

            3. 不合適的電源旁路；

            4. 不遵守放大器設計規則。

            本文將更為詳細地討論這些違規操作。遵循下述通用的設計指南，你在采用高速放大器進行設計的過程中將遭受較少的挫折。

            驅動容性負載或電抗性負載

            驅動容性負載可以直接減小放大器的相位裕量。容性負載和放大器輸出阻抗引起的相位滯后將導致欠阻尼脈沖響應或振蕩。一些放大器能夠直接驅動大的容性負載，而另外一些放大器需要一個串聯電阻來緩沖輸出級。要查閱放大器的數據手冊以確定你的放大器屬于哪一類。如圖1所示，放大器輸出端上的小的串聯電阻(Rs)將改善穩定性和建立性能。

            圖1：容性負載驅動電路的典型拓樸

            不使用串聯電阻來驅動同軸電纜也可能引起頻率急劇增加或振蕩。圖2描述了同軸電纜驅動電路的典型配置。

            圖2：電纜或傳輸線的驅動電路

            電阻Rs和RL都等于電纜或傳輸線的特征阻抗Zo。放大器輸出阻抗隨著頻率的增加而增加。電容C可以被用于在更大的頻率范圍內匹配電纜，它補償放大器不斷增加的輸出阻抗。

            通用電路板設計指南

            總體的電路板和電源旁路的設計在確保高頻性能中發揮重要的作用。高速放大器的最敏感引腳是反向輸入端和輸出引腳。要遵循下列總體設計指南：

            1.
            要利用電路板上的接地層為元器件提供一個低電感值的接地連接，然而，要把高速放大器下面和周圍的地平面去除，特別是輸入和輸出引腳附近的地平面，以減少雜散電容。

            2.
            盡可能使用表貼元器件，因為它們提供低的引腳電感。如果采用有引腳的元器件，就要讓引腳最短，特別是把Rf和Rg控制為最小，以減小放大器反向輸入端的串聯電感。

            3. 要設計緊湊的電路板并最小化所有的布線長度，特別是最小化Rf和Rg，以減小放大器反向輸入端的串聯電感。

            4. 不要使用插座。把采用表面封裝的放大器直接焊接到電路板上可以獲得最佳的性能。如果要用插座的話，用閃存插座(flash-mount
            socket)，而不要使用體積高的插座。

            電源旁路的通常做法

            要在每一個電源上采用旁路電容。旁路電容在電源引腳上提供一條低阻抗的電流返回路徑，改善了對電源噪聲的抑制，并濾除電源走線上的高頻分量。要查閱制造商提供的數據手冊中的推薦容值。大多數制造商推薦采用6.8uF的鉭電容和0.1uF的陶瓷電容。在某些情況下，幾個放大器可以共享該鉭電容。但是為了優化性能，系統中的每一個放大器都使用一個陶瓷電容。

            為了實現最佳性能，要按照下列要求放置電容：

            1. 把6.8uF電容放置在距離電源引腳0.75英寸的范圍內；

            2. 把0.1uF電容放置在距離電源引腳0.1英寸的范圍內。

            把陶瓷電容放置在距離電源引腳0.1英寸的范圍內是至關重要的。隨著距離的增加，因存在附加走線電感的緣故，旁路電容的效果會下降。圖3描繪了單電源放大器的例子。如果采用雙電源供電，那么另一個電源要采用同樣的旁路電容。

            圖3：單電源放大器的基本放大器正向增益配置

            基本放大器設計規則

            一些放大器具有最小穩定增益要求。如果放大器所使用的增益低于推薦的最小穩定增益，它就可能振蕩。而如果采用電流反饋放大器：1.
            根據你的增益要求，采用制造商推薦的反饋電阻值；2. 在放大器的直接反饋環路中，不要使用電容或其它非線性元件；3.
            對于單位增益配置，要使用反饋電阻；不使用標準電壓跟隨器電路。

            本文小結

            當采用高速放大器進行設計時，要遵循下列基本設計指南：

            1. 驅動容性負載時，采用串聯電阻；

            2. 電路板設計要采用接地層，但是，要消除輸入/輸出附近的接地平面：

            3. 消除長的引腳或采用表貼元器件；

            4. 消除I/O端附近的任何寄生電容或電感；

            5. 在每一個電源引腳上使用電源旁路電容；

            6. 盡可能把旁路電容靠近放大器的電源引腳放置；

            7. 查閱制造商提供的數據手冊；

            8. 確保不違反放大器的最小穩定增益；

            9 .對于電流反饋放大器：采用推薦的反饋電阻。在反饋環路中，不要采用電容或二極管，除非采取了特別措施來確保穩定性。