大頻段時代的小信號帶寬

幾十年前的流行音樂需要許多樂器，因此得名“大樂隊時代”。 今天，帶寬增加再次成為時代的標(biāo)志?；ヂ?lián)網(wǎng)使用、支持網(wǎng)絡(luò)的蜂窩電話（3G、4G、LTE 和 Wi-Fi）、音樂播放器和數(shù)碼攝像機的爆炸式增長擴(kuò)大了消費者對帶寬的期望。我們正處于向所有便攜式設(shè)備批量數(shù)據(jù)傳輸?shù)娘L(fēng)口浪尖。帶寬已成為王道，因此我們再次進(jìn)入了“大帶寬時代”。 那么，為什么要討論小信號帶寬呢？

許多運算放大器在其數(shù)據(jù)手冊中都包含小信號帶寬規(guī)格。（所有運算放大器都有一個“最佳點”，以獲得更好的帶寬，即使數(shù)據(jù)手冊中未提及。該規(guī)格通?；谙拗圃谑种环笥业男盘柗?，乍一看似乎主要用于與其他運算放大器公司進(jìn)行比較和“吹噓權(quán)利”。

然而，一些應(yīng)用可以利用小信號帶寬，小信號帶寬可能比運算放大器的大信號帶寬大很多倍。例如，MAX4104運算放大器具有0MHz的小信號帶寬（1.625V或更低）和2MHz的大信號帶寬（11V峰峰值）。大多數(shù)應(yīng)用都利用大信號帶寬。小信號帶寬很高，因為運算放大器工作在中端最佳位置（圖 1）。

圖1.信號條件決定了通過運算放大器的帶寬。

通常，輸入信號的最佳點接近電源電壓的一半。放大器在該區(qū)域的線性度最高，并產(chǎn)生最佳的信號質(zhì)量。運算放大器具有較大的開環(huán)增益，它們采用負(fù)反饋來控制放大器，以犧牲開環(huán)增益以獲得穩(wěn)定性和線性度。當(dāng)放大器輸出接近任一電源軌時，可用的反饋較少，這反過來又降低了反饋對放大器響應(yīng)進(jìn)行線性化的能力。當(dāng)最佳點外的反饋減少時，頻率響應(yīng)降低，失真增加。提供“軌到軌”操作的運算放大器使用特殊的電路配置來最小化電源軌附近的失真，但仔細(xì)閱讀典型“軌到軌”輸出的數(shù)據(jù)手冊會發(fā)現(xiàn)，輸出電流在供電軌處減小到零。

現(xiàn)代運算放大器采用工藝制造，其中單個晶體管具有數(shù)千兆赫茲帶寬。然而，運算放大器由數(shù)十或數(shù)百個晶體管、電阻和電容組成，該電路結(jié)構(gòu)的凈效果是降低總帶寬，通常降低一個數(shù)量級或更多。這種自然帶寬降低的影響包括由級間雜散電容和電阻引起的相位和幅度誤差。帶寬降低限制了壓擺率，并且正如人們所期望的那樣對幅度敏感。因此，小信號比大信號具有更大的帶寬。

但是，某些應(yīng)用可以使用小信號帶寬。在一種這樣的應(yīng)用中——用于遠(yuǎn)程傳感器的阻抗轉(zhuǎn)換器——小信號驅(qū)動相對較長的電纜。系統(tǒng)要求可能包括高達(dá)十分之一伏的放大，以及驅(qū)動50Ω或75Ω同軸電纜的能力。系統(tǒng)中的第一個放大器通常設(shè)置信噪比。顯然，帶寬和信噪比是聯(lián)系在一起的。因此，通過限制信號幅度來利用小信號帶寬，可以使用消耗更少電源電流的較便宜的運算放大器。

利用運算放大器頻率特性

雖然帶寬限制會降低運算放大器的性能，但您可以利用帶寬限制來充分利用廉價運算放大器。例如，如果您需要使用簡單的1MHz低通濾波器來限制信號帶寬，該怎么辦？對于非關(guān)鍵應(yīng)用，可以使用MAX4245等價格低廉的運算放大器（圖2a）。對于3MHz低通濾波器，可以使用MAX4330（圖2b）。對于更關(guān)鍵的應(yīng)用，精確控制截止頻率和斜率的Sallen-Key有源濾波器更為合適。

圖2.這些電路采用廉價運算放大器工作，因為它們有意將信號帶寬限制在1MHz （a）和3MHz （b）。

低通帶寬可與其他功能結(jié)合使用，以降低系統(tǒng)成本。例如，由“完美二極管”制成的精密整流器可以通過降低信號帶寬來平滑信號的邊緣。（“完美二極管”是指在反饋環(huán)路中帶有二極管的運算放大器，它產(chǎn)生二極管響應(yīng)，而沒有通常的正向壓降。請參閱圖 3。

圖3.反饋路徑中的二極管使該運算放大器電路能夠執(zhí)行全波整流，而不會產(chǎn)生與二極管中的正向壓降相關(guān)的損耗。

將差分信號轉(zhuǎn)換為單端信號，同時降低高頻噪聲的電路也可以使用廉價的運算放大器工作。再舉一個例子，您可以構(gòu)建一個具有遲滯的比較器（施密特觸發(fā)器），該比較器可忽略其閾值電壓中的高頻噪聲（圖 4）。低于閾值的噪聲將被忽略，正反饋鎖存輸出狀態(tài)，直到超過相反的閾值。輸出的壓擺率受運算放大器響應(yīng)的限制。

圖4.這種廉價運算放大器的適度帶寬允許施密特觸發(fā)器電路忽略高頻噪聲。

慢速運算放大器往往價格低廉，通過組合利用運算放大器原生頻率響應(yīng)的功能，可以降低系統(tǒng)成本。電源的偏置和基準(zhǔn)電路可以利用低通特性來去耦噪聲并產(chǎn)生清潔電源。運算放大器可以將電路與其他電路隔離，并充當(dāng)?shù)屯V波器。例如，在圖5中，運算放大器電壓跟隨器使單個基準(zhǔn)電壓源能夠由模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）和其他電路共享。跟隨器件的高輸入阻抗和低輸出阻抗用于將各種電路彼此隔離。這種隔離減輕了走線長度對電路板的影響，并防止電路之間的串?dāng)_。由于基準(zhǔn)電壓輸出預(yù)期為單個直流值，因此低帶寬運算放大器通過充當(dāng)?shù)屯V波器來提高其質(zhì)量。

圖5.這些廉價的運算放大器為各種電路分配單個基準(zhǔn)電壓，而其低帶寬則用作受歡迎的噪聲濾波器。

我們正處于通信爆炸式增長之中，消費者開始期望高速通信網(wǎng)絡(luò)能夠廣泛使用。在美國，政府機構(gòu)已經(jīng)開始考慮普遍寬帶的可用性，這與20世紀(jì)政府的基礎(chǔ)設(shè)施任務(wù)相似。這種基礎(chǔ)設(shè)施——農(nóng)村電氣化、通用電話服務(wù)和州際公路系統(tǒng)——大大提高了我們的生活水平。當(dāng)我們考慮越來越寬的通信帶寬時，我們還應(yīng)該考慮控制該帶寬的所有系統(tǒng)。用于均衡、通道選擇、自動增益和頻率控制（AGC 和 AFC）以及許多其他電路的電路需要較慢的低頻控制。即使在這個大頻段時代，低帶寬運算放大器也占有一席之地。

審核編輯：郭婷