寬帶固定增益放大器THS4302的工作原理和應(yīng)用電路分析

１、引言

ＴＨＳ４３０２是美國德州儀器公司推出的新型固定增益放大器，它具有低失真、高斜率、低噪聲和超過２ＧＨｚ的增益帶寬積。這些特性的結(jié)合使得模擬電路設(shè)計(jì)人員能夠超越當(dāng)前的性能限制，而以高于先前使用閉環(huán)所能達(dá)到的速率來處理模擬信號(hào)，從而優(yōu)化放大器的設(shè)計(jì)方案。

ＴＨＳ４３０２具有２．４ＧＨｚ的帶寬及＋５Ｖ／Ｖ的固定增益，其性能較現(xiàn)有同類器件提高了三倍，從而為高速應(yīng)用領(lǐng)域提供了高速度、低噪聲的模擬解決方案。

ＴＨＳ４３０２的推出使得無線基站、中繼站以及其它基礎(chǔ)設(shè)備能夠提供更多的通道，從而可在更小空間中提供更高的帶寬。由于ＴＨＳ４３０２具有高速、低失真特性，因而可在數(shù)字信號(hào)處理 （ＤＳＰ）中驅(qū)動(dòng)寬動(dòng)態(tài)范圍的高精度Ａ／Ｄ（數(shù)／模）轉(zhuǎn)換器。ＴＨＳ４３０２在１００ＭＨｚ頻率輸入時(shí)， 可驅(qū)動(dòng)１００Ω負(fù)載，其三階輸出截取點(diǎn)（ＯＩＰ３）可高達(dá)＋４６ｄＢｍ，這和以前的相同固定電壓增益的運(yùn)算放大器相比，具有更佳的線性增益變化及更低的功耗。

ＴＨＳ４３０２還采用了新型的帶散熱墊（ＰｏｗｅｒＰＡＤ）的ＲＧＴ封裝，其引腳定義如圖１所示。各引腳下的功能說明如下：

１～４腳（ＶＳ－）：電源負(fù)端；

５～８腳（ＶＯＵＴ）：輸出端；

９～１２腳（ＶＳ＋）：電源正端；

１３腳（ＮＣ）：空腳；

１４腳（ＶＩＮ－）：輸入負(fù)端；

１５腳（ＶＩＮ＋）：輸入正端；

１６腳（ＰＤ）：功率下拉端，低電平有效。

２、工作原理

２．１ 寬帶同相工作

ＴＨＳ４３０２是具有功耗下拉功能的固定增益電壓反饋運(yùn)算放大器，可在３Ｖ～５Ｖ的電源下工作?，F(xiàn)以圖２為例說明ＴＨ４３０２電路的典型性能。該電路采用同相放大結(jié)構(gòu)，并采用雙電源供電。圖２中，ＶＩ端４９．９Ω的并聯(lián)電阻用來匹配測試儀器的源阻抗。ＶＯ端的５０Ω電阻用于與測試儀器的５０Ω負(fù)載阻抗相串聯(lián)以提供１００Ω負(fù)載。輸出端總的１００Ω負(fù)載與總共２５０Ω的反饋網(wǎng)絡(luò)負(fù)載相結(jié)合可在ＴＨＳ４３０２的輸出端呈現(xiàn)出７１Ω的有效輸出負(fù)載。圖中的Ｒｆ、Ｒｇ為ＴＨＳ４３０２的內(nèi)部反饋電阻和增益設(shè)定電阻，其取值分別為２００Ω和５０Ω。從圖２可以看出，為了獲得足夠?qū)挼念l帶響應(yīng)，電路在正、負(fù)電源端均設(shè)計(jì)了嚴(yán)格的濾波網(wǎng)絡(luò)。

２．２ 單電源工作

當(dāng)ＴＨＳ４３０２在單電源下工作時(shí)，輸入信號(hào)和放大器必須具有適當(dāng)?shù)钠靡员隳塬@得最大的輸出電壓擺幅。圖３給出了一種有益于放大器單電源工作的配置方法。

為了獲得最大的輸出電壓擺幅，輸入信號(hào)和放大器應(yīng)加Ｖｓ／２的電壓。圖中標(biāo)示的２．５Ｖ偏置電壓是在供電電壓為５Ｖ時(shí)給出的。

另外，通過ＴＨＳ４３０２的功耗下拉引腳？ＰＤ？可以將靜態(tài)電流從３７ｍＡ降至８００μＡ，這對于降低系統(tǒng)功耗是非常有用的。當(dāng)放大器的功耗下拉腳（ＰＤ）接到高電平（正電源）時(shí)，放大器工作在正常功耗模式。而當(dāng)功耗下拉腳（ＰＤ）接負(fù)電平時(shí)，放大器關(guān)斷，此時(shí)電流降至８００μＡ。

功耗上拉或下拉門限電壓與電源電壓有關(guān)。當(dāng)加到功耗下拉腳（ＰＤ）的電壓高于使能電壓時(shí)，器件被激活。而在低于下拉電壓時(shí)，器件休眠。當(dāng)所加電壓在兩門限電壓之間時(shí)，放大器的工作狀態(tài)不確定。

３、典型應(yīng)用電路

３．１ 用ＴＨＳ４３０２驅(qū)動(dòng)Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器

圖４所示是用ＴＨＳ４３０２驅(qū)動(dòng)高性能Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器的實(shí)際電路。圖中，ＴＨＳ４３０２輸出的放大信號(hào)經(jīng)過隔離電阻、ＡＣ耦合電容和低通濾波器后，再經(jīng)寬帶變壓器即可轉(zhuǎn)化為差分信號(hào)以驅(qū)動(dòng)Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器。對于不包含直流信息的應(yīng)用，這種驅(qū)動(dòng)ＡＤＣｓ的方法很有用。

ＲＩＳＯ電阻在電路中起隔離作用，對它的精心設(shè)計(jì)可使電路獲得最優(yōu)的頻率響應(yīng)。

３．２ 用ＴＨＳ４３０２驅(qū)動(dòng)電容負(fù)載

對運(yùn)算放大器來說，電容負(fù)載是一種最苛刻、也是很普通的負(fù)載條件。通常，電容負(fù)載為Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器的輸入，包括推薦用來改善Ａ／Ｄ 線性度的外部附加電容。象ＴＨＳ４３０２這樣的高速放大器，在輸出端直接放置電容負(fù)載時(shí)，其穩(wěn)定性很容易受到影響。而且，在放大器帶有開環(huán)輸出電阻時(shí)，電容負(fù)載在信號(hào)路徑上引入的附加極性會(huì)減少相位余量，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，如果主要考慮頻率響應(yīng)的平坦度、脈沖響應(yīng)的真實(shí)度、或者失真度，最簡單有效的方法是在放大器輸出和電容負(fù)載之間插入一個(gè)串聯(lián)隔離電阻ＲＩＳＯ以將反饋回路和電容負(fù)載隔離。

當(dāng)ＴＨＳ４３０２的寄生電容負(fù)載超過２ｐＦ時(shí)，其頻率響應(yīng)性能降低。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，長的ＰＣ板路徑，非匹配電纜以及多個(gè)器件間的連接都很容易出現(xiàn)等效寄生電容負(fù)載超過２ｐＦ的情況。因此，為了獲得最優(yōu)的頻率響應(yīng)，ＲＩＳＯ電阻的取值尤為重要，并應(yīng)盡可能地將電阻ＲＩＳＯ安裝在靠近ＴＨＳ４３０２的輸出端。圖５所示為一組ＴＨＳ４３０２驅(qū)動(dòng)不同電容負(fù)載時(shí)的頻率響應(yīng)曲線。

４、使用建議

ＴＨＳ４３０２具有２．４ＧＨｚ的頻帶和５倍的電壓增益，為了獲得最優(yōu)的ＡＣ性能，下面給出一些關(guān)于電源退耦和版圖設(shè)計(jì)方面的建議。

（１）盡可能地將退耦電容放置在靠近電源輸入端，以減小電源到地的電感。推薦使用與器件電源腳寬度差不多的電源線來連接退耦電容，并用３個(gè)或更多的孔將電容連接到地平面。

（２）將容值小的電容優(yōu)先放置在最接近器件的位置。

（３）固態(tài)電源平面的四周到地平面之間要慎用高頻退耦電容，以避免ＰＣＢ出現(xiàn)自激。

（４）為了獲得超過２ ＧＨｚ的最佳傳輸特性，建議旁路電容的排列采用評估板上的排列方式。３０．１Ω電阻與０．１μＦ電容串聯(lián)可降低并聯(lián)集總元件的諧振Ｑ值。其中包括０．１μＦ和４７ｐＦ電容和放大器的電源輸入電容。

（５）將信號(hào)輸入／輸出腳到交流地的寄生電容應(yīng)減到最小。

不管怎樣，如果在Ｉ／Ｏ端使用傳輸線，匹配電阻應(yīng)盡可能地接近器件。除非使用了傳輸線，否則，輸出端和同相輸入端的寄生電容會(huì)與負(fù)載和源阻抗一起，不自覺地對帶寬產(chǎn)生限制。為了降低不必要的電容，地平面或電源平面應(yīng)沿著信號(hào)Ｉ／Ｏ腳的周圍斷開，以形成一個(gè)窗口。

（６）將電源腳到高頻０．１μＦ退耦電容器的距離減到最?。浚迹埃玻怠?？；

設(shè)計(jì)的地平面和電源平面不盡遠(yuǎn)離信號(hào)Ｉ／Ｏ腳，以避免使用窄的電源和地線，達(dá)到減小引腳和退耦電容間電感的目的。

（７） 仔細(xì)選擇和放置外部元件以保護(hù)ＴＨＳ４３０２的高頻性能。電阻應(yīng)選擇低電抗類型的。表貼電阻的工作特性較好，可進(jìn)行高密度設(shè)計(jì)。此外，還應(yīng)保持ＰＣ板上的連線盡可能地短。

（８）與其它寬帶元件間應(yīng)短線直接連接或使用板上傳輸線。 實(shí)際上，ＴＨＳ４３０２內(nèi)部已經(jīng)產(chǎn)生有２ｐＦ的寄生負(fù)載。因此，隨著信號(hào)增益的增加，在沒有隔離電阻的情況下，也可以驅(qū)動(dòng)更大的寄生電容負(fù)載。也就是說，如果實(shí)際要求的走線較長，那么，也可以采用６ｄＢ固有信號(hào)損耗的雙端傳輸線，當(dāng)然還可以采用微帶設(shè)計(jì)技術(shù)實(shí)現(xiàn)阻抗匹配傳輸線。

（９）像ＴＨＳ４３０２和ＴＨＳ４３０３這樣的高速器件，一般不推薦使用插座。

（１０）應(yīng)充分利用ＰｏｗｅｒＰＡＤ來獲得最佳的溫度性能。

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