德州儀器幫您攻克高速放大器設(shè)計三大常見問題

在使用高速放大器進行設(shè)計時，一定要熟悉其通用的規(guī)格并了解其特定概念。在本文中，高速放大器是指增益帶寬積（GBW）大于或等于50 MHz的運算放大器（op amps）。（這些概念也適用于低速器件。）以下設(shè)計師在使用高速放大器時遇到的一些常見問題。

問：為什么某些高速運算放大器具有最小增益規(guī)格？

答：失補償?shù)倪\算放大器具有閉環(huán)最小增益穩(wěn)定規(guī)格，但與單位增益穩(wěn)定的同類產(chǎn)品相比，在相同電流消耗下，其可提供更大的GBW和更低的噪聲。

“失補償”僅表示Aol（開環(huán)增益）響應曲線中具有第二個高于0 dB的極點。這第二個極點還規(guī)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會導致更寬的帶寬。

圖1：失補償放大器的開環(huán)增益響應曲線

縮小放大器輸入對中的負反饋電阻的尺寸會增加Aol，如圖2所示。更小的負反饋電阻還有助于降低放大器噪聲。

圖2：運算放大器中的負反饋電阻

OPA858 和 OPA859分別是失補償和單位增益穩(wěn)定放大器的兩個示例。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：比較失補償?shù)姆糯笃骱蛦挝辉鲆娣€(wěn)定的放大器

除增加帶寬和降低噪聲外，失補償體系結(jié)構(gòu)還可實現(xiàn)更高的壓擺率?？傮w而言，最小增益規(guī)格提供了性能折衷。這意味著如果您放棄單位增益并滿足最小增益要求，則可利用該性能。有望輕松滿足最小增益規(guī)格的應用示例包括電流檢測電路。其可測量并聯(lián)電阻上的電壓、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通過將一部分輸出信號作為電流反饋以實現(xiàn)對于放大器的控制的運算放大器。電流反饋放大器不同于依賴于電壓形式的反饋的電壓反饋放大器。大多數(shù)設(shè)計人員都了解電壓反饋體系結(jié)構(gòu)，因為它們在大多數(shù)電子課程中它們很常見并作為重點出現(xiàn)。

圖3提供了電壓和電流反饋放大器體系結(jié)構(gòu)的基本輸入級比較，其中電壓反饋放大器建模為電壓控制電壓源，電流反饋放大器建模為電流控制電壓源。

圖3：比較電壓和電流反饋運算放大器體系結(jié)構(gòu)

兩種體系結(jié)構(gòu)仍被用作負反饋電路中的誤差放大器，但它們所需的反饋類型有所差異。例如，您可在反相和同相增益配置中使用其中任何一種放大器。電流反饋體系結(jié)構(gòu)的一個明顯優(yōu)勢是帶寬不取決于增益。但在電壓反饋體系結(jié)構(gòu)中，隨著增益的增加，帶寬減小，如公式1所示：

如圖4所示，在電流反饋體系結(jié)構(gòu)中，無論增益如何，帶寬幾乎保持恒定。該圖如THS3491數(shù)據(jù)表中所示。

圖4：電流反饋運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的應用

請注意：電流反饋放大器的操作并非指在反饋路徑中沒有電阻。電流反饋放大器數(shù)據(jù)手冊將對RF的指定值提出建議；這些值很重要，因為RF值決定了放大器，甚至單位增益的補償。如圖4，表3來自THS3491數(shù)據(jù)表。

表3：來自THS3491數(shù)據(jù)表的RF 推薦值示例

有關(guān)這兩種體系結(jié)構(gòu)之間差異的更多詳細信息，請查看了解電壓反饋和電流反饋放大器。還可通過觀看TI高精度實驗室在線培訓視頻來了解有關(guān)電流反饋體系結(jié)構(gòu)的更多信息。

問：為什么將高速放大器放在電路實驗板上時會發(fā)生振蕩？

答：一般而言，封裝引線的電感以及電路試驗板的電容和電感很可能導致高速放大器振蕩。同樣，在使用高速運算放大器進行設(shè)計時，最小化印刷電路板（PCB）上的電容和電感是至關(guān)重要的。即使是高速放大器GBW頻譜下端的器件，如50MHz OPA607，也需要這些類型的電路板級設(shè)計注意事項。

可通過以下幾種方法來優(yōu)化高速布局設(shè)計：

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。

使用固定接地平面。對于高速設(shè)計而言，固定接地平面通常比散列平面更佳。

去除信號走線下方的接地層。去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)點上的寄生電容。

最小化信號路徑上的通孔。通孔會增加電感，并可能在高于100 Mhz的頻率下引起信號保真度問題。為降低信號保真度，請將關(guān)鍵信號與放大器在同一層布線，以消除任何通孔。

優(yōu)化返回電流路徑。信號走線布局設(shè)計應盡量減少整個信號路環(huán)面積，從而使電感最小。

正確放置和布線旁路電容器。在電路板的同一層上，放置旁路電容器時應盡可能靠近放大器。使用較寬的走線，并將測通孔布線到旁路電容器，然后再到放大器，而非布線在電容器和放大器之間。

正確放置電阻。將增益設(shè)定電阻、反饋電阻和串聯(lián)輸出電阻置于靠近器件管腳的位置，以最大程度地減少電路板寄生效應。

評估高速運算放大器的性能時，最好對特定器件使用指定的評估模塊。這些電路板展示了良好的高速電路板布局設(shè)計，并使用SMA連接器來維持高保真度和阻抗受控的信號路徑。有關(guān)高速電路板布局實踐的更多詳細信息，請閱讀高速PCB布局技術(shù)。

總體而言，高速運算放大器的運行方式與低速運算放大器相當。只需考慮一些設(shè)計上的細微差別，就可以利用它們?yōu)槟愕南到y(tǒng)提供的所有速度和性能優(yōu)勢。以上哪些問題與您最相關(guān)？請在下方發(fā)表評論。

審核編輯：金巧