解析高速應(yīng)用中電流反饋運(yùn)放電路設(shè)計
電流反饋放大器不受基本增益帶寬積的限制,隨著信號幅度的增加,帶寬的損失非常小。因為可以在最小失真的條件下對大信號進(jìn)行調(diào)節(jié),這些放大器在非常高的頻率下通常都具有優(yōu)異的線性度。而電壓反饋放大器的帶寬隨著增益的增加降低,電流反饋放大器在很寬的增益范圍上維持其大部分帶寬不變。
正因為如此,準(zhǔn)確地說,電流反饋運(yùn)放沒有增益帶寬積的限制。當(dāng)然,電流反饋運(yùn)放也不是無限快,其壓擺率(Slew Rate)不受內(nèi)部偏置電流的限制,但受三極管本身的速度限制。對給定的偏置電流,這就容許不用通常可能影響穩(wěn)定性的正反饋或其方法來獲得較大的壓擺率。
那么如何構(gòu)建這些電路呢?電流反饋運(yùn)放具有一個與差分對相對的輸入緩沖器,該輸入緩沖器大多數(shù)情況下常常是射極跟隨器或其它非常類似的電路。正相輸入端具有高阻抗,而緩沖器的輸出,即放大器的反相輸入具有低阻抗。相比之下,電壓反饋放大器的輸入都是高阻。
電流反饋運(yùn)放的輸出是電壓,并且它與流出或流入運(yùn)放的反相輸入端的電流有關(guān),這由稱為互阻抗(transimpedance)的復(fù)雜函數(shù)Z(s)來表示。在直流時,互阻抗是一個非常大的數(shù),并且像電壓反饋運(yùn)放一樣,它隨著頻率的增加具有單極點滾降特性。
電流反饋運(yùn)放靈活性的關(guān)鍵之一是具有可調(diào)節(jié)的帶寬和可調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性。因為反饋電阻的數(shù)值實際上改變放大器的交流環(huán)路的動態(tài)特性,所以能夠影響帶寬和穩(wěn)定性兩個方面。加之具有非常高的壓擺率和基于反饋電阻的可調(diào)節(jié)帶寬,你可以獲得與器件的小信號帶寬非常接近的大信號帶寬。在甚至更好的情況下,該帶寬在很寬的增益范圍內(nèi)大部分都維持不變。而因為具有固有的線性度,你也可以在高頻大信號時獲得較低的失真。
如何發(fā)現(xiàn)最佳的反饋電阻RF
由于放大器的交流特性部分地取決于反饋電阻,這就讓我們能夠針對每一個特定的應(yīng)用“量身定制”放大器。降低反饋電阻的數(shù)值將提升環(huán)路增益。為了保持穩(wěn)定性和最大的帶寬,在低增益時,反饋電阻要設(shè)置為較高的數(shù)值;隨著增益的上升,環(huán)路增益自然降低。如果需要高的增益,可以利用較小的反饋電阻來部分地恢復(fù)環(huán)路增益。
所以,我們不必犧牲太多的帶寬就已經(jīng)獲得了很高的穩(wěn)定性。在如此有限的帶寬內(nèi),利用如此高速的放大器的原因在于它提供優(yōu)異的信號保真度。
電路板的布局
一般來說,在電流反饋放大器或高速器件的應(yīng)用中,要仔細(xì)考慮的事情之一就是電路板的布局設(shè)計。表面安裝的陶瓷電源旁路電容要非??拷撈骷?,典型距離小于
布置在放大器附近的小陶瓷旁路電容為放大器的高頻響應(yīng)提供能量。根據(jù)放大器的速度和被放大的信號速度,可能要采用兩個數(shù)值大約相差10倍的陶瓷電容。例如,一個400MHz的放大器可能采用并連安裝的0.01uF和1nF電容。
當(dāng)購買電容時,核查其自諧振頻率至關(guān)重要,自諧振頻率在此頻率(400MHz)上下的電容毫無益處。地和電源層有助于為地電流和電源電流兩者提供低的阻抗路徑,在放大器的輸入和輸出引腳以及反饋電阻的下面,要避免走地和電源層,這樣做有助于通過減小不想要的寄生電容來維持放大器的穩(wěn)定性。
要在可能的地方嘗試采用表面貼裝器件,這些器件提供最佳的性能并占用的電路板空間也最小。電路板的布線應(yīng)該保持盡可能地短,并應(yīng)該調(diào)整其長寬以最小化寄生效應(yīng)。在電源布線上,最壞的寄生特性是直流電阻和自感,所以電源布線要盡可能地寬。另一方面,輸入和輸出連接線常常承載非常小的電流,所以容性寄生效應(yīng)對它們的危害最大。對于超過
因為無法避免小量的寄生負(fù)載,電流反饋放大器的反饋電阻為特殊應(yīng)用提供調(diào)整放大器性能的靈活性。面對真正具有挑戰(zhàn)性的電路板設(shè)計,即使采用非常大的反饋電阻可能也是不夠的。
驅(qū)動容性負(fù)載
通過引入一個電阻(ROUT),放大器幾乎可以驅(qū)動任何大小的電容而沒有穩(wěn)定性問題。這是電壓和電流兩種反饋放大器常用的技術(shù),當(dāng)驅(qū)動高速模/數(shù)轉(zhuǎn)換器時,該技術(shù)特別有用。ROUT電阻被放置在運(yùn)放和容性負(fù)載(即ADC)之間。只要電路板空間允許,要把電阻靠近放大器放置。
因為電阻和電容形成一種低通濾波器,對于這種電路的應(yīng)用,存在某種帶寬的損失。實際應(yīng)用表明,無論電阻阻值多大,電容越大就越難驅(qū)動,并降低帶寬。
降低系統(tǒng)噪聲
如果你正在構(gòu)建一種IF放大器或低頻RF放大器,那么把噪聲最小化就特別重要。利用電流反饋放大器,增加反饋電阻常常能減小系統(tǒng)的噪聲,這是因為頻率響應(yīng)衰減得比電阻噪聲的上升要快。
為了減小跟隨放大器電路的那部分噪聲,非常重要的一點是僅僅采用必需的帶寬,而不要選用超過應(yīng)用需求的帶寬。除了采用反饋電阻的最佳數(shù)值之外,你可以給電路添加附加的濾波電路。
利用Sallen-Key濾波器拓?fù)洌瑸V波器常??梢员磺‘?dāng)?shù)睾喜⒌椒糯笃鞯姆答伨W(wǎng)絡(luò)中。如果可能的話,交流耦合將有助于消除低頻噪聲,那常常就是所謂的1/f噪聲,目標(biāo)是濾除在你的放大帶寬之外的所有噪聲。從系統(tǒng)的層面考慮,要求在電路中盡早布置最低噪聲和最高增益的模塊。你提高增益越早,其后噪聲對你的信號的影響就越小。如果可能的話,要避免大的信號源電阻,電阻增加的熱噪聲與電阻值成正比。
電壓反饋放大器的優(yōu)勢
如果比較電流反饋和電壓反饋兩種放大器,你會發(fā)現(xiàn)電壓反饋放大器在某些方面可能具有一定優(yōu)勢。利用電流反饋拓?fù)洌斎肫秒娏鞑]有系統(tǒng)地匹配。正相輸入比反相輸入阻抗更大—通常具有更低的輸入偏置電流。反相輸入偏置電流通常將比較大,如果偏置電流必須流過大阻值的電阻的話,這樣做可能導(dǎo)致輸入電壓的偏移。
在電流反饋器件上的偏移電壓可以被匹配并使之相當(dāng)小,但從系統(tǒng)的觀點看,它們不可能完全為零。所以,雖然典型的電流反饋放大器的偏置電壓可以被設(shè)計得非常好,但是它將隨著正常的工藝批號及溫度而變化比較大。如果需要非常高精度的輸入偏置電壓,那么電壓反饋放大器通常是比較好的選擇。
電流反饋放大器的緩沖器配置需要一個反饋電阻,而電壓反饋放大器可以采取直接短路連接。這樣做通常沒有問題,除非在設(shè)計中取代現(xiàn)有的電壓反饋放大器。最后,在電流反饋放大器的反饋環(huán)路中,電容會引起不穩(wěn)定性。一些常用的電路拓?fù)洳贿m合于電流反饋放大器,對于大多數(shù)這些電路,需要重新設(shè)計電路板,以使之滿足電流反饋放大器工作的要求。