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解析高速应用中电流反馈运放电路设计

  电流反馈放大器不受基本增益带宽积的限制,随着信号幅度的增加,带宽的损失非常小。因为可以在最小失真的条件下对大信号进行调节,这些放大器在非常高的频率下通常都具有优异的线性度。而电压反馈放大器的带宽随着增益的增加降低,电流反馈放大器在很宽的增益范围上维持其大部分带宽不变。

  正因为如此,准确地说,电流反馈运放没有增益带宽积的限制。当然,电流反馈运放也不是无限快,其压摆率(Slew Rate)不受内部偏置电流的限制,但受三极管本身的速度限制。对给定的偏置电流,这就容许不用通常可能影响稳定性的正反馈或其方法来获得较大的压摆率。

  那么如何构建这些电路呢?电流反馈运放具有一个与差分对相对的输入缓冲器,该输入缓冲器大多数情况下常常是射极跟随器或其它非常类似的电路。正相输入端具有高阻抗,而缓冲器的输出,即放大器的反相输入具有低阻抗。相比之下,电压反馈放大器的输入都是高阻。

  电流反馈运放的输出是电压,并且它与流出或流入运放的反相输入端的电流有关,这由称为互阻抗(transimpedance)的复杂函数Z(s)来表示。在直流时,互阻抗是一个非常大的数,并且像电压反馈运放一样,它随着频率的增加具有单极点滚降特性。

  电流反馈运放灵活性的关键之一是具有可调节的带宽和可调节的稳定性。因为反馈电阻的数值实际上改变放大器的交流环路的动态特性,所以能够影响带宽和稳定性两个方面。加之具有非常高的压摆率和基于反馈电阻的可调节带宽,你可以获得与器件的小信号带宽非常接近的大信号带宽。在甚至更好的情况下,该带宽在很宽的增益范围内大部分都维持不变。而因为具有固有的线性度,你也可以在高频大信号时获得较低的失真。

  如何发现最佳的反馈电阻RF

  由于放大器的交流特性部分地取决于反馈电阻,这就让我们能够针对每一个特定的应用量身定制放大器。降低反馈电阻的数值将提升环路增益。为了保持稳定性和最大的带宽,在低增益时,反馈电阻要设置为较高的数值;随着增益的上升,环路增益自然降低。如果需要高的增益,可以利用较小的反馈电阻来部分地恢复环路增益。

  你可以看到随着你改变反馈电阻带宽所发生的变化。在右手曲线的远处,反馈电阻RF等于147伲憧梢钥吹狡德氏煊哂邢嗟贝蟮姆逯怠8们咭簿哂凶罡叩拇怼<跣「玫缱璧皆对兜陀谡飧147伲岬贾履愕穆龀逑煊Τ鱿终窳澹绻俳徊郊跣「玫缱瑁导噬暇突岱⑸竦础F等于300俚那呔哂杏乓斓钠教苟群驮鲆妫⑷匀痪哂杏敕逯灯德氏煊杀鹊牧己么怼£

  所以,我们不必牺牲太多的带宽就已经获得了很高的稳定性。利用600俚姆蠢〉缱瑁憔湍艿鹘诨啬愕钠德氏煊Α@纾绻桓鲇τ媒鼋鲂枰50~60MHz的带宽,在该频段内的任何信号都会对噪声有所贡献,你可以利用反馈电阻来调节你的器件的频率响应。在如此有限的带宽内,利用如此高速的放大器的原因在于它提供优异的信号保真度。

  来自相同器件的数据表,该图说明了对给定正相增益的推荐反馈电阻。正如预期的那样,对增益为2的放大器推荐采用300俚牡缱瑁哂凶罴训脑鲆嫫教苟取⒔⑹奔浜退俣鹊淖楹稀4送猓痈猛贾锌梢钥吹剑栽鲆嫖1的放大器需要采用600俚姆蠢〉缱枥椿竦米钣呕男阅堋U馐且蛭仿吩鲆娣浅8撸洗蟮牡缱柚刀杂谖榷ㄐ允潜匦璧摹U饩褪怯氲缪狗蠢〖芄沟闹饕钜臁5缌鞣蠢》糯笃髟谑褂檬辈荒馨咽涑鲇敕聪嗍淙攵搪妨印£

  数据表上指定的最常用的电阻是针对增益为2的放大器。然而,你可以从图2中看到,你最终使用的实际数值有很大的灵活性,在数据表中所推荐的数值是在性能表和曲线中公布的规范所使用的数值。

  对于增益为5的放大器,RF下降到200佟8迷鲆嫔柚玫缱柘衷诮鼋鍪50伲晕颐腔竦玫氖淙牖撼宓缱韬驮鲆嫔柚玫缱璧闹迪嘟U饩徒档土嗽朔诺谋栈坊プ杩梗⒔孀旁鲆娴奶岣叨枷拗拼怼T谠鲆嫖8时,我们要把反馈电阻提高到275佟6杂诟叩脑鲆妫坏┎荒芙档头蠢〉缱枥刺岣咴鲆妫斫艿剿鹗В曳糯笃骺汲氏值缪狗蠢》糯笃鞯奶匦浴£

  电路板的布局

  一般来说,在电流反馈放大器或高速器件的应用中,要仔细考虑的事情之一就是电路板的布局设计。表面安装的陶瓷电源旁路电容要非常靠近该器件,典型距离小于3mm。如果需要更大的电容,可以在电路板上较远的地方布置电解电容。电路板上常常有电压调节器,这时,在电压调节器供应商推荐的电解电容之外,不必要采用额外的电解电容。

  布置在放大器附近的小陶瓷旁路电容为放大器的高频响应提供能量。根据放大器的速度和被放大的信号速度,可能要采用两个数值大约相差10倍的陶瓷电容。例如,一个400MHz的放大器可能采用并连安装的0.01uF和1nF电容。

  当购买电容时,核查其自谐振频率至关重要,自谐振频率在此频率(400MHz)上下的电容毫无益处。地和电源层有助于为地电流和电源电流两者提供低的阻抗路径,在放大器的输入和输出引脚以及反馈电阻的下面,要避免走地和电源层,这样做有助于通过减小不想要的寄生电容来维持放大器的稳定性。

  要在可能的地方尝试采用表面贴装器件,这些器件提供最佳的性能并占用的电路板空间也最小。电路板的布线应该保持尽可能地短,并应该调整其长宽以最小化寄生效应。在电源布线上,最坏的寄生特性是直流电阻和自感,所以电源布线要尽可能地宽。另一方面,输入和输出连接线常常承载非常小的电流,所以容性寄生效应对它们的危害最大。对于超过1cm的信号路径,最好采用受控阻抗和两端终接(匹配电阻)的传输线。

  因为无法避免小量的寄生负载,电流反馈放大器的反馈电阻为特殊应用提供调整放大器性能的灵活性。面对真正具有挑战性的电路板设计,即使采用非常大的反馈电阻可能也是不够的。

  驱动容性负载

  通过引入一个电阻(ROUT),放大器几乎可以驱动任何大小的电容而没有稳定性问题。这是电压和电流两种反馈放大器常用的技术,当驱动高速模/数转换器时,该技术特别有用。ROUT电阻被放置在运放和容性负载(即ADC)之间。只要电路板空间允许,要把电阻靠近放大器放置。

  图表上的曲线显示了根据电容大小建议的ROUT电阻数值。该图表是根据1k俚淖栊愿涸鼗嬷频摹H绻鸕L的数值较小,ROUT也可以更小。另一个选项是把ROUT放在反馈环之内(图中没有标出)。你可以把RF连接到隔离电阻的输出侧,而不是图中ROUT和放大器之间用RF连接。这样做将保持增益的精度,但是跟在其它例子中一样,你将仍然在隔离电阻上损失相同大小的电压摆幅。尽管该技术确实有其缺陷,但应该这样实现。

  因为电阻和电容形成一种低通滤波器,对于这种电路的应用,存在某种带宽的损失。实际应用表明,无论电阻阻值多大,电容越大就越难驱动,并降低带宽。

  降低系统噪声

  如果你正在构建一种IF放大器或低频RF放大器,那么把噪声最小化就特别重要。利用电流反馈放大器,增加反馈电阻常常能减小系统的噪声,这是因为频率响应衰减得比电阻噪声的上升要快。

  为了减小跟随放大器电路的那部分噪声,非常重要的一点是仅仅采用必需的带宽,而不要选用超过应用需求的带宽。除了采用反馈电阻的最佳数值之外,你可以给电路添加附加的滤波电路。

  利用Sallen-Key滤波器拓扑,滤波器常常可以被恰当地合并到放大器的反馈网络中。如果可能的话,交流耦合将有助于消除低频噪声,那常常就是所谓的1/f噪声,目标是滤除在你的放大带宽之外的所有噪声。从系统的层面考虑,要求在电路中尽早布置最低噪声和最高增益的模块。你提高增益越早,其后噪声对你的信号的影响就越小。如果可能的话,要避免大的信号源电阻,电阻增加的热噪声与电阻值成正比。

  电压反馈放大器的优势

  如果比较电流反馈和电压反馈两种放大器,你会发现电压反馈放大器在某些方面可能具有一定优势。利用电流反馈拓扑,输入偏置电流并没有系统地匹配。正相输入比反相输入阻抗更大通常具有更低的输入偏置电流。反相输入偏置电流通常将比较大,如果偏置电流必须流过大阻值的电阻的话,这样做可能导致输入电压的偏移。

  在电流反馈器件上的偏移电压可以被匹配并使之相当小,但从系统的观点看,它们不可能完全为零。所以,虽然典型的电流反馈放大器的偏置电压可以被设计得非常好,但是它将随着正常的工艺批号及温度而变化比较大。如果需要非常高精度的输入偏置电压,那么电压反馈放大器通常是比较好的选择。

  电流反馈放大器的缓冲器配置需要一个反馈电阻,而电压反馈放大器可以采取直接短路连接。这样做通常没有问题,除非在设计中取代现有的电压反馈放大器。最后,在电流反馈放大器的反馈环路中,电容会引起不稳定性。一些常用的电路拓扑不适合于电流反馈放大器,对于大多数这些电路,需要重新设计电路板,以使之满足电流反馈放大器工作的要求。