使用高速放大器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)的三個(gè)常見問題

并非所有放大器設(shè)計(jì)都是平等的，在使用高速放大器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，熟悉常見規(guī)格并理解某些概念非常重要。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(yùn)算放大器 (op amps)，但這些概念也適用于低速設(shè)備。以下是設(shè)計(jì)人員在使用高速放大器時(shí)遇到的一些常見問題。

問：為什么有些高速運(yùn)算放大器有最小增益規(guī)格？

答：去補(bǔ)償運(yùn)算放大器具有閉環(huán)最小增益穩(wěn)定規(guī)范，但在相同的電流消耗下提供更寬的 GBW 和更低的噪聲 - 與單位增益穩(wěn)定的同類產(chǎn)品一樣。

“去補(bǔ)償”僅僅意味著在 Aol（開環(huán)增益）響應(yīng)曲線中放置了一個(gè)高于 0 dB 的第二個(gè)極點(diǎn)。第二個(gè)極點(diǎn)也決定了確保放大器穩(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(huì)導(dǎo)致更寬的帶寬。

圖 1：失補(bǔ)償放大器的開環(huán)增益響應(yīng)曲線

減小放大器輸入對中的負(fù)反饋電阻器的尺寸會(huì)增加 Aol，如圖 2 所示。更小的負(fù)反饋電阻器也有助于降低放大器噪聲。

圖 2：運(yùn)算放大器中的退化電阻器

OPA858和OPA859分別是去補(bǔ)償和單位增益穩(wěn)定放大器的兩個(gè)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：去補(bǔ)償和單位增益穩(wěn)定放大器的比較

除了增加帶寬和降低噪聲外，去補(bǔ)償架構(gòu)還實(shí)現(xiàn)了更高的壓擺率?？傮w而言，最小增益規(guī)范提供了性能權(quán)衡，如果您可以放棄單位增益并滿足最小增益要求，您可以利用它?？梢暂p松滿足最小增益規(guī)范的應(yīng)用示例包括測量分流電阻器兩端電壓的電流檢測電路、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運(yùn)算放大器，可將輸出信號的一部分作為電流反饋以控制放大器。電流反饋放大器不同于電壓反饋放大器，后者依賴于電壓形式的反饋。大多數(shù)設(shè)計(jì)人員都熟悉電壓反饋架構(gòu)，因?yàn)樗鼈冊诖蠖鄶?shù)電子課程中更為常見和強(qiáng)調(diào)。

圖 3 提供了電壓和電流反饋放大器架構(gòu)的基本輸入級比較，其中電壓反饋放大器被建模為壓控電壓源，電流反饋放大器被建模為電流控制電壓源。

圖 3 ：比較電壓和電流反饋運(yùn)算放大器架構(gòu)

兩種架構(gòu)仍然用作負(fù)反饋電路中的誤差放大器，但它們所需的反饋類型有所不同。例如，您可以在反相和同相增益配置中使用任一放大器類型。當(dāng)前反饋架構(gòu)的一個(gè)明顯優(yōu)勢是帶寬不依賴于增益。然而，在電壓反饋架構(gòu)中，隨著增益的增加，帶寬會(huì)減小，如公式 1 所示：

在電流反饋架構(gòu)中，無論增益如何，帶寬都??幾乎保持不變，如圖 4 所示。該圖出現(xiàn)在THS3491數(shù)據(jù)表中。

圖 4 ：電流反饋運(yùn)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應(yīng)用

請注意，電流反饋放大器并不意味著在反饋路徑中沒有電阻的情況下運(yùn)行。電流反饋放大器數(shù)據(jù)表將建議 R F的指定值；這些值很重要，因?yàn)?R F的值決定了放大器的補(bǔ)償，即使在單位增益中也是如此。與圖 4 一樣，表 3 來自THS3491數(shù)據(jù)表。

表3： THS3491 數(shù)據(jù)表中推薦的 R F值示例

有關(guān)這兩種架構(gòu)之間差異的更多詳細(xì)信息，請查看了解電壓反饋和電流反饋放大器。您還可以通過觀看TI 精密實(shí)驗(yàn)室在線培訓(xùn)視頻了解有關(guān)當(dāng)前反饋架構(gòu)的更多信息。

問：為什么我的高速放大器放在面包板上時(shí)會(huì)振蕩？

答：一般來說，很可能是封裝引線的電感以及面包板的電容和電感導(dǎo)致您的高速放大器發(fā)生振蕩。同樣，在使用高速運(yùn)算放大器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，盡量減少印刷電路板 (PCB) 上的電容和電感也很重要。即使是高速放大器 GBW 頻譜的低端設(shè)備，如 50-MHz OPA607，也需要這些類型的板級設(shè)計(jì)考慮因素。

以下是一些可以優(yōu)化高速布局設(shè)計(jì)的方法：

• 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。
• 使用堅(jiān)固的接地層。對于高速設(shè)計(jì)，實(shí)心接地平面通常比散列平面更好。
• 剪掉信號走線下的接地層。移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(diǎn)上的寄生電容。
• 盡量減少信號路徑上的過孔。過孔會(huì)增加電感，并可能導(dǎo)致頻率高于 100 MHz 的信號保真度問題。為降低信號保真度，請將關(guān)鍵信號路由到與放大器相同的層上，以消除任何過孔。
• 優(yōu)化返回電流路徑。信號走線布局設(shè)計(jì)應(yīng)盡量減少整體信號環(huán)路面積，從而最大限度地減少電感。
• 正確放置和布線旁路電容器。將旁路電容器盡可能靠近電路板同一層的放大器放置。使用更寬的走線和過孔布線到旁路電容器，然后到放大器——而不是在電容器和放大器之間。
• 正確放置電阻。將增益設(shè)置、反饋和串聯(lián)輸出電阻器放置在靠近器件引腳的位置，以最大限度地減少電路板寄生效應(yīng)。

在評估高速運(yùn)算放大器的性能時(shí)，最好使用針對特定器件的指定評估模塊。這些電路板展示了良好的高速電路板布局設(shè)計(jì)，并使用 SMA 連接器來保持高保真和阻抗控制的信號路徑。有關(guān)高速電路板布局實(shí)踐的更多詳細(xì)信息，您可以閱讀高速 PCB 布局技術(shù)。

總體而言，高速運(yùn)算放大器的運(yùn)行與低速運(yùn)算放大器非常相似。只需考慮一些設(shè)計(jì)細(xì)微差別，您就可以利用它們?yōu)槟南到y(tǒng)提供的所有速度和性能優(yōu)勢。這些問題中哪一個(gè)與您最相關(guān)？在下面發(fā)表評論。

審核編輯：符乾江