使用高速放大器進行設計時的三個常見問題

并非所有放大器設計都是平等的，在使用高速放大器進行設計時，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 的運算放大器 (op amps)，但這些概念也適用于低速設備。以下是設計人員在使用高速放大器時遇到的一些常見問題。

問：為什么有些高速運算放大器有最小增益規(guī)格？

答：去補償運算放大器具有閉環(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)定的同類產品一樣。

“去補償”僅僅意味著在 Aol（開環(huán)增益）響應曲線中放置了一個高于 0 dB 的第二個極點。第二個極點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

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

圖 2：運算放大器中的退化電阻器

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

除了增加帶寬和降低噪聲外，去補償架構還實現(xiàn)了更高的壓擺率。總體而言，最小增益規(guī)范提供了性能權衡，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)設計人員都熟悉電壓反饋架構，因為它們在大多數(shù)電子課程中更為常見和強調。

圖 3 提供了電壓和電流反饋放大器架構的基本輸入級比較，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算放大器架構

兩種架構仍然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。當前反饋架構的一個明顯優(yōu)勢是帶寬不依賴于增益。然而，在電壓反饋架構中，隨著增益的增加，帶寬會減小，如公式 1 所示：

在電流反饋架構中，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 ：電流反饋運算放大器的增益和帶寬關系

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，因為 R F的值決定了放大器的補償，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

有關這兩種架構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。您還可以通過觀看TI 精密實驗室在線培訓視頻了解有關當前反饋架構的更多信息。

問：為什么我的高速放大器放在面包板上時會振蕩？

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致您的高速放大器發(fā)生振蕩。同樣，在使用高速運算放大器進行設計時，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 頻譜的低端設備，如 50-MHz OPA607，也需要這些類型的板級設計考慮因素。

以下是一些可以優(yōu)化高速布局設計的方法：

• 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。
• 使用堅固的接地層。對于高速設計，實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)點上的寄生電容。
• 盡量減少信號路徑上的過孔。過孔會增加電感，并可能導致頻率高于 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。信號走線布局設計應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。

在評估高速運算放大器的性能時，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計，并使用 SMA 連接器來保持高保真和阻抗控制的信號路徑。有關高速電路板布局實踐的更多詳細信息，您可以閱讀高速 PCB 布局技術。

總體而言，高速運算放大器的運行與低速運算放大器非常相似。只需考慮一些設計細微差別，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。這些問題中哪一個與您最相關？在下面發(fā)表評論。

審核編輯：符乾江