集成電路放大器相關(guān)的去耦與接地問(wèn)題

就像我們?yōu)橄到y(tǒng)功耗、接地及信號(hào)回路找到合適配置時(shí)，往往會(huì)引入一些干擾。在理解IC放大器的“去耦”、“接地”概念時(shí)也常常會(huì)被一些顯而易見(jiàn)的問(wèn)題所愚弄。

下面為大家闡述一個(gè)一般性原則，之后我們?cè)俾懻撆c集成電路放大器相關(guān)的去耦與接地問(wèn)題——

首先請(qǐng)思考：電流流向何處？

表面來(lái)看，這是一個(gè)顯而易見(jiàn)的問(wèn)題。但提到電流時(shí)，人們一般都會(huì)想到電流從某個(gè)地方“流出”，然后“流過(guò)”其他地方，卻忽視了電流如何流回源點(diǎn)的問(wèn)題。在實(shí)際操作中，人們似乎認(rèn)為所有“接地”或“電源電壓”點(diǎn)都是相等的。但忽略了一個(gè)事實(shí) ：這些點(diǎn)構(gòu)成電流在其中流動(dòng)并產(chǎn)生有限電壓，它們是導(dǎo)體網(wǎng)絡(luò)的一部分。

如果要進(jìn)行前瞻性規(guī)劃，我們必須得考慮電流的起點(diǎn)及返回點(diǎn)，必須確定結(jié)果產(chǎn)生的電壓降的作用。而這又要求對(duì)去耦及接地電路的原理有一定的了解。然而在設(shè)計(jì)采用了集成電路時(shí)，這樣的信息往往無(wú)從獲取與難以理解。

我們的IC放大器是非常常用的線性IC之一，但幸運(yùn)的是：就功率及接地問(wèn)題而言，多數(shù)運(yùn)算放大器都可歸入少數(shù)類(lèi)別。盡管系統(tǒng)配置可能帶來(lái)令人生畏的去耦及信號(hào)回路問(wèn)題，但通過(guò)了解運(yùn)算放大器，我們可以找到解決更多此類(lèi)問(wèn)題的基本方法。

運(yùn)算放大器有四個(gè)引腳

一般的讀者在看過(guò)任何一本運(yùn)算放大器的課本之后，可以都會(huì)認(rèn)為：理想的運(yùn)算放大器應(yīng)該有三個(gè)引腳——一對(duì)差分輸入引腳和一個(gè)輸出引腳。如下圖所示：

圖1：常規(guī)“三端”運(yùn)算放大器

但如果你真的有了解基本原理，那么必然能看出事實(shí)并非如此。如果放大器有一個(gè)輸出電壓，那它必然以某個(gè)點(diǎn)為參考進(jìn)行測(cè)量。從理想運(yùn)算放大器來(lái)看，它擁有無(wú)限的共模抑制性能，因而可以排除輸入引腳作為參考點(diǎn)的可能。如此來(lái)看，必然還存在著第四個(gè)引腳。換個(gè)角度來(lái)看，如果放大器需要向負(fù)載提供輸出電流，則該電流必須從某個(gè)地方進(jìn)入放大器。而理想情況來(lái)看，輸入電流不流動(dòng)，這樣一來(lái)結(jié)論仍然是“需要第四個(gè)引腳”。

一種常見(jiàn)的做法是在圖中指出第四個(gè)引腳為“接地”端。我們不討論什么是“接地”端，多數(shù)集成電路運(yùn)算放大器（包括很多模塊化運(yùn)算放大器）并不存在“接地”端。對(duì)于這些電路 ，第四個(gè)引腳是電源引腳中的一個(gè)或兩個(gè)。這種情況 下，人們傾向于將兩個(gè)電源電壓與接地歸在一起。電源線路確實(shí)會(huì)在放大哭帶寬范圍內(nèi)，在所有頻率下產(chǎn)生較低的阻抗。然而，當(dāng)阻抗要求未得到滿足時(shí)，眾多問(wèn)題就會(huì)隨之而來(lái)，包括噪聲、瞬態(tài)響應(yīng)差，振蕩等問(wèn)題。

差分至單端轉(zhuǎn)換

簡(jiǎn)單運(yùn)算放大器的基本要求之一是“輸入端加載的全差分信號(hào)必須轉(zhuǎn)換成單端輸出信號(hào)”。單端指的是相對(duì)于經(jīng)常被忽視的第四個(gè)引腳而言的。這可能使問(wèn)題復(fù)雜化。如下圖2所示：

圖2：簡(jiǎn)化版“真實(shí)”運(yùn)算放大器

上圖所示信號(hào)流用于多種流行的集成電路系列中。雖然細(xì)節(jié)不盡相同，但基本信號(hào)路徑與101、741、748、777、4136、503、515等集成電路運(yùn)算放大器大致相同。電路首先將差分輸入電壓轉(zhuǎn)換成差分電流。該輸入級(jí)函數(shù)在圖2中表示為PNP晶體管。然后通過(guò)與負(fù)供電軌相連的電流鏡，將電流從差分轉(zhuǎn)換成單端形式。電流鏡像輸出驅(qū)動(dòng)差一個(gè)電壓放大器以及作為積分器連接的功率輸出級(jí)。該積分器控制著開(kāi)環(huán)響應(yīng)，其電容既可外加亦可內(nèi)置。關(guān)于上面這種簡(jiǎn)化型號(hào)的說(shuō)明大多都沒(méi)有突出積分器擁有一個(gè)差分輸入的事實(shí) 。由幾個(gè)基極發(fā)射極電壓提供正偏置，同相積分器輸入則以負(fù)電源作為參考 。

顯然，放大器輸出與負(fù)電源之間的大部分電壓差會(huì)出現(xiàn)在整個(gè)補(bǔ)償電容中。如果負(fù)電源電壓突然發(fā)生變化，積分器放大器將強(qiáng)制輸出隨之而變。當(dāng)整個(gè)放大器處于閉環(huán)配置時(shí)，其輸入端產(chǎn)生的誤差信號(hào)將深度恢復(fù)輸出 ，但恢復(fù)程度受限于放大哭喊的壓擺率。結(jié)果就是，這類(lèi)放大器可能擁有出色的低頻電源抑制性能，但負(fù)電源抑制卻存在較大限制。由于導(dǎo)致輸出恢復(fù)的是流程輸入端的反饋信號(hào)，因此，對(duì)于頻率輸出恢復(fù)的是流程輸入端的反饋信號(hào)。因此，對(duì)于頻率超過(guò)閉環(huán)帶寬的信號(hào)，負(fù)電源抑制比將接近0。即：高速高電平電路可以通過(guò)負(fù)電源線的公共阻抗與低電平電路“通信”。

“

Attention：此類(lèi)放大器的問(wèn)題與負(fù)電源端相關(guān)。雖然正電源抑制比也可能因頻率增加而下降，但其影響程度較輕。一般而言，正電源上的小瞬變只會(huì)對(duì)信號(hào)輸出產(chǎn)出輕微影響。這些靈敏度之間的差異可能使放大器瞬態(tài)響應(yīng)出現(xiàn)明顯不對(duì)稱(chēng)現(xiàn)象。如果驅(qū)動(dòng)放大器的目的是在其額定負(fù)載范圍內(nèi)產(chǎn)生正電壓擺幅，則放大器將從正電源吸取電流脈沖。

”

這樣的脈沖可能導(dǎo)致電源電源瞬變，但正電源抑制將最大程度地降低對(duì)放大器輸出信號(hào)的。在與此相對(duì)的情況下，負(fù)輸出信號(hào)將從負(fù)電源中抽取電流。如果脈沖在總線上導(dǎo)致“毛刺”，則欠佳的負(fù)電源抑制性能將在放大器輸出端帶來(lái)類(lèi)似的“毛刺”。雖然正脈沖測(cè)試可以得到放大器瞬態(tài)響應(yīng)，但負(fù)脈沖測(cè)試實(shí)際上可以助您更好地了解電源負(fù)軌瞬態(tài)響應(yīng)，而不是放大器響應(yīng)！

事實(shí)上，電源脈沖響應(yīng)本身并不是放大器上可能出現(xiàn)的東西。30或40厘米的電線可以充當(dāng)一下高Q電廠，從而給阻尼通常過(guò)高的電源響應(yīng)增加高頻成分。在放大器附近安裝一個(gè)去耦電容也不一定能解決問(wèn)題，因?yàn)殡娫幢仨氃谀硞€(gè)地方去耦。如果去耦電流注過(guò)較長(zhǎng)路徑 ，仍有可能產(chǎn)生不良毛刺。

圖3所示為負(fù)電源去耦的三種可能配置。在3a中，虛線表示通過(guò)去耦線路及接地線路的負(fù)信號(hào)電流路徑。如果負(fù)載“接地”及去耦“接地”在電源處相接，則接地線路上的毛刺類(lèi)似于負(fù)電源總線上的毛刺。根據(jù)反饋及信號(hào)源的“接地”方式，去耦電容導(dǎo)致的有效干擾可能大于電容的設(shè)計(jì)抗干擾能力。

圖3a：無(wú)效負(fù)電源去耦

圖3b展示了如何利用去耦電容降低V形及接地總線的干擾。負(fù)載電流中的高頻成分被限制在一個(gè)不含接地路徑的環(huán)路中。如果電容的容量夠大、質(zhì)量符合要求，則可降低負(fù)電源上的毛刺而不干擾輸入或輸出信號(hào) 路徑 。

圖3b：針對(duì)“接地”負(fù)載優(yōu)化的去耦負(fù)電源

如果負(fù)載情況復(fù)雜（如圖3c），則需要進(jìn)行更多的思考。如放大器驅(qū)動(dòng)的是流向虛擬地的負(fù)載，則實(shí)際負(fù)載電流不會(huì)返回接地。相反，該電源必然由形成虛擬地的放大器提供。

圖3c：針對(duì) “虛擬地”負(fù)載優(yōu)化的去耦負(fù)電源

在這種情況下，如果將第一放大器的負(fù)電源去耦至第二放大器的正電源，則會(huì)閉合快速信號(hào)電流環(huán)路而不干擾接地路徑或信號(hào)路徑 。當(dāng)然，為了避免干擾輸出基準(zhǔn)電壓源，必須為第二放大器提供從接地至V形總線的低阻抗路徑。理解去耦電路的關(guān)鍵在于認(rèn)清實(shí)際負(fù)載和信號(hào)電流的去向。而優(yōu)化電路的關(guān)鍵是在接地等信號(hào)路徑旁路這些電流。

考慮整個(gè)電路時(shí)，通常會(huì)出現(xiàn)沖突。例如，多個(gè)放大器可能由同一電源驅(qū)動(dòng)，而每個(gè)放大器又需要獨(dú)立的去耦電容?？傮w而言，去耦電容全部呈并聯(lián) 狀態(tài)。然而，事實(shí) 上，互連電源的電廠及接地線路 會(huì)將這種看似無(wú)礙的配置轉(zhuǎn)換成一個(gè)復(fù)雜的 L-C 網(wǎng)絡(luò)。在處理快速信號(hào)波陣面的電路中，通過(guò)數(shù)厘米線纜并聯(lián)的去耦網(wǎng)絡(luò)通常意味著麻煩。

圖4：并聯(lián)去耦諧 振阻尼

圖4展示了通過(guò)小電阻來(lái)降低 不良諧振電路 Q 值的方法。一般情況下，這些電阻是可以容許的，因?yàn)樗鼈冊(cè)谶\(yùn)算放大器電源端將不良高頻叮當(dāng)聲轉(zhuǎn)換成小阻尼信號(hào)。雖然剩余信號(hào)具有較多的低頻成分，但可以通過(guò)運(yùn)算放大器的電源抑制性能而予以處理。