高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換中放大器面臨哪些問題？

高速的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換在設(shè)計中有很多和一般數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換設(shè)計中相似的問題，需要可靠的設(shè)計和穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。從基礎(chǔ)上來說，兩者并無二致，但受限于芯片的限制，高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中更能窺見前沿的動態(tài)性能發(fā)展。在一個高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，放大器、DAC、ADC這些都是必不可少的。一般首先要考慮的就是運算放大器，接下來是在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換中相當(dāng)重要的采樣/保持，再是DAC，ADC這些。我們先看在高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換設(shè)計中占據(jù)重要的地位的放大器。信號處理環(huán)節(jié)里，緩沖器、運算放大器、開環(huán)放大器、比較器是比較常見的。

緩沖器設(shè)計需要考慮什么？

開環(huán)緩沖器結(jié)構(gòu)簡單，頻帶寬的同時功耗也不高，既簡單又實用，在高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換中使用廣泛（帶寬運算放大器和其他類型的帶寬放大器）。在運算放大器的反饋環(huán)路內(nèi)，器件能夠增大輸出電流，消除熱反饋，同時提高電容負載驅(qū)動能力。

帶寬肯定是首先緩沖器最直觀的一項參數(shù)，可調(diào)節(jié)帶寬是更靈活也是適用性更廣的一項設(shè)計?？赏ㄟ^改變V–與BW引腳之間的外部電阻器值在幾十MHz到幾百MHz范圍內(nèi)調(diào)節(jié)帶寬，這種通過外部電阻器來調(diào)節(jié)帶寬的方法不算新鮮但確實給設(shè)計增添了不少靈活性。

（緩沖器，TI）

想要獲得零偏移的設(shè)計，雙極的緩沖器可以起到很重要的互補作用。這需要借助NPN和PNP晶體管高性能的縱向結(jié)構(gòu)。緩沖器的輸入連接到一堆互補晶體管，輸入晶體管連接到輸出晶體管的基極，如果基級到NPN和PNP的發(fā)射極電壓相等的話，那么偏移量則為零。零偏移加上高輸入阻抗、高電流輸出，那就是一個非常理想的電路了。

內(nèi)部電流限制和熱關(guān)斷保護也是設(shè)計中很重要的一環(huán)，通過其輸出級中的內(nèi)部電流限制以及熱關(guān)斷，器件可以受到全面保護，大大增加器件的耐用性。為了增強熱性能，器件可以考慮底部帶有散熱焊盤的封裝，這一點可以根據(jù)機械要求和功率耗散要求酌情選擇（SOIC、VSON、HSOIC）。如果是便攜式這種尺寸受限的應(yīng)用，在熱性能和封裝尺寸上則更要注意。

還需要注意的是，雖然開環(huán)緩沖器驅(qū)動高電容性負載時很穩(wěn)定，但是高電容性負載過多將會使電路形成閉環(huán)。

運算放大器多大環(huán)路增益才足夠？

多大的環(huán)路增益才足夠？這個問題在設(shè)計運算放大器的時候想必是經(jīng)常出現(xiàn)的。首先比較明確的是帶寬放大器獲得的環(huán)路增益和低頻放大器是不同的，這和帶寬以及相位角優(yōu)化有關(guān)。帶寬放大器的高開環(huán)增益是很困難的，一般如果開環(huán)增益在信號強度夠大的條件下已經(jīng)很穩(wěn)定了，那么沒必要太在意大的高開環(huán)增益，雖然高開環(huán)增益的運算放大器可以將增益非線性誤差的發(fā)生概率降至最低。

（運算放大器，ADI）

綜合反饋和頻率補償是兩種補償放大器開環(huán)頻率響應(yīng)的方法。綜合反饋的優(yōu)點是閉環(huán)頻率響應(yīng)（所有電極），這意味著暫態(tài)響應(yīng)可以容忍參數(shù)的改變。而單極結(jié)構(gòu)和雙極結(jié)構(gòu)的頻率補償會受小參數(shù)變化的影響，但輸出噪聲極低?？偟膩砜?，單極補償并沒有綜合反饋那么有效，但單極補償通常都有著較高的恢復(fù)率。

對于高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換這種高動態(tài)范圍應(yīng)用，高增益當(dāng)然是很重要的，低失調(diào)、低失調(diào)漂移和高CMRR特性同樣不可忽視。

不同原理的比較器優(yōu)勢在哪里？

在高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)里，比較器也是很常見的感測信號、產(chǎn)生數(shù)字信號的器件。比較器要么通過高增益的放大器來實現(xiàn)，要么通過閉環(huán)的方法來實現(xiàn)。采用高增益的放大器實現(xiàn)時，能夠?qū)崿F(xiàn)比較器較高的增益帶寬。這一點可以將比較器與開環(huán)放大器做對比，這二者的設(shè)計是極其相似的，區(qū)別在于比較器需要將輸出設(shè)計成邏輯兼容的，輸出飽和狀態(tài)是否處于線性狀態(tài)是比較器設(shè)計中更關(guān)心的點。一個好的比較器設(shè)計里，要確保任何一個級都和ECL邏輯級相同以避免飽和并保障最大級間的帶寬。

而器件振蕩的問題可以利用閉環(huán)的辦法解決。閉環(huán)比較器通過射極輸出來接受反饋，能保持合適的邏輯電平，即便器件在短時間內(nèi)處于低增益狀態(tài)，比較器總的振蕩趨勢也是在減弱的。

高速的比較器已經(jīng)能做到極低的傳播延遲，在極低的傳播延遲下，器件如果進一步降低過驅(qū)動分散，那傳播延遲變化將會更小，整個系統(tǒng)的性能也會更進一步。離散和傳播延遲兩個指標無論什么時候都是重中之重。

小結(jié)

在高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換應(yīng)用中，放大器的設(shè)計至關(guān)重要。整體設(shè)計之初是否考慮到每個組件模塊可能面臨的問題將直接影響到系統(tǒng)的最優(yōu)性能。