同時(shí)滿足交流和直流性能的放大器特性分析

  現(xiàn)代系統(tǒng)設(shè)計(jì)師正面對(duì)著許多設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，從實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的接口到維持其系統(tǒng)與模擬系統(tǒng)接口時(shí)的信號(hào)保真度等，他們很自然地轉(zhuǎn)向使用運(yùn)算放大器來解決這些難題。因此，當(dāng)今的放大器需要滿足高難度的技術(shù)規(guī)范組合。例如，機(jī)頂盒和DVD錄像機(jī)等消費(fèi)電子視頻設(shè)備必須具備高帶寬，同時(shí)需要大輸出電流(用于驅(qū)動(dòng)75Ω同軸電纜)、良好的增益精度、低電源電壓以及低電源電壓下良好的動(dòng)態(tài)范圍。

   雖然高帶寬放大器已經(jīng)出現(xiàn)幾十年了，但是卻有著直流特性不良的“惡名”，并且通常工作于雙(±)電源軌。這些不良的直流特性限制了放大器所能達(dá)到的動(dòng)態(tài)范圍。下面的公式為某個(gè)放大器的綜合動(dòng)態(tài)范圍：

動(dòng)態(tài)范圍=20Log10(VoutMax/VoutMin)

  放大器的動(dòng)態(tài)范圍受到電源電壓的限制，因其會(huì)對(duì)VoutMax造成直接影響?，F(xiàn)代的“軌至軌”輸出放大器通過使VoutMax≈Vsupply-200mV(或者更小)來減小這種影響。另一方面，如果能使VoutMin等于零，動(dòng)態(tài)范圍便可以是無限。但是實(shí)際情況卻不是這樣，因?yàn)橛性S多誤差項(xiàng)目與放大器相關(guān)聯(lián)，包括輸入失調(diào)電壓、輸入偏置電流、輸入失調(diào)電流、共模抑制比、電源抑制比、噪聲，以及與所有這些項(xiàng)目相關(guān)聯(lián)的溫度漂移。

  圖1所示為某個(gè)放大器的誤差項(xiàng)目。其中的所有誤差項(xiàng)目都是以輸入為參考(RTI)繪制的，幾乎所有制造商的資料表都是如此處理。因此，所有的項(xiàng)目均乘以至放大器輸出的噪聲增益(或同相增益)。

噪聲增益=1+(反饋電阻/增益電阻)

 讓我們仔細(xì)看一看每一個(gè)誤差項(xiàng)目。噪聲(放大器噪聲)具有三個(gè)基本成分：放大器的電壓噪聲、放大器的電流噪聲以及阻性反饋網(wǎng)絡(luò)的熱噪聲。對(duì)于電壓和電流噪聲，都有兩個(gè)部分：寬帶噪聲和低頻1/f噪聲。大多數(shù)制造商僅在寬帶噪聲占主導(dǎo)的頻率下規(guī)定噪聲，但是數(shù)據(jù)表還應(yīng)該包括一個(gè)噪聲圖表。電流噪聲的等效電壓決定于電路，并通過將同相端的電流噪聲與源電阻相乘，反相端的電流噪聲與反饋網(wǎng)絡(luò)的等效電阻相乘能夠得到電流噪聲的等效電壓噪聲。

圖1：影響放大器性能的誤差項(xiàng)。

1. 輸入偏置電流和失調(diào)電流

 多數(shù)高速放大器由于在其輸入級(jí)使用了雙極晶體管，加上晶體管的高內(nèi)部偏置電壓點(diǎn)，因而具有很大的輸入偏置電流。通常，這些誤差項(xiàng)目的影響是通過其與反饋網(wǎng)絡(luò)和/或源電阻的交互作用而帶來額外的失調(diào)電壓。通過匹配同相和反相端的阻抗，能夠減小偏置電流的影響。

2. 失調(diào)電壓

 失調(diào)電壓的定義是放大器輸入端之間所需的電壓以迫使輸出電壓置于零。實(shí)際上，在放大器的輸入端可以將它模擬成固定的電壓源，并且在大多數(shù)現(xiàn)代放大器中不能去除掉。一般認(rèn)為失調(diào)電壓是放大器所有表現(xiàn)的參考點(diǎn)，并受到共模電壓(共模抑制比, CMRR)、電源電壓(電源抑制比, )、輸出電壓擺幅(開環(huán)增益, PSRR)、負(fù)載電流(間接開環(huán)增益, Aol)及溫度的影響。

3. CMRR

 共模抑制比定義為差分增益與共模增益之比，通常用dB表示。實(shí)際上可以將其定義為相對(duì)于共模電壓的單位變化所引起的失調(diào)電壓變化：

CMRR=20Log10((Voffset/(Vcm)

4. PSRR

 電源抑制比定義為相對(duì)于電源電壓的單位變化而引起的失調(diào)電壓變化：

PSRR=20Log10((Voffset/(Vsupply)

5. Aol

 對(duì)于閉環(huán)放大器，可以將其定義為相對(duì)于失調(diào)電壓的改變而帶來的輸出電壓改變：

Aol=20Log10((Vout/(Voffset)

 低Aol會(huì)引起失真、更低的VoutMax以及增益誤差。因?yàn)榉糯笃鞯拈]環(huán)增益定義為：

閉環(huán)增益=噪聲增益/(1+(噪聲增益/開環(huán)增益))

 開環(huán)增益對(duì)閉環(huán)增益的精度有很大的影響。對(duì)于放大器IC設(shè)計(jì)師而言，在保證最大限度地增大帶寬、降低電源電壓以及減小功耗的同時(shí)，如何使這些誤差最小化是一項(xiàng)非常艱巨的任務(wù)，但是現(xiàn)代的工藝技術(shù)有助于更加方便地進(jìn)行權(quán)衡和取舍。飛兆半導(dǎo)體的FHP3130/3230/3430系列放大器具有非常完善的規(guī)格：具有165MHz帶寬、100dB CMRR、PSRR及Aol，同時(shí)僅消耗2.5mA的電源電流，并且工作于2.7V至12V電源電壓。

 表1所示為典型的性能參數(shù)。這些放大器提供寬帶寬，并同時(shí)具備大輸出電流和高開環(huán)增益，從而獲得優(yōu)良的增益精度、低電源電壓以及單5V電源下優(yōu)良的動(dòng)態(tài)范圍。這些產(chǎn)品提供優(yōu)良的交流性能和極好的直流性能，使設(shè)計(jì)師獲得兩方面的性能優(yōu)勢。

表1：典型的放大器性能參數(shù)

本文小結(jié)

為了滿足當(dāng)今系統(tǒng)設(shè)計(jì)師的要求，IC制造商正在采用新的工藝技術(shù)來開發(fā)具有適合的交流和直流性能組合的現(xiàn)代高速放大器。目前可供系統(tǒng)設(shè)計(jì)師選擇的高速放大器有很多，這些放大器提供了交流和直流方面的最佳性能，在各種終端市場應(yīng)用領(lǐng)域的高速系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，能夠?qū)崿F(xiàn)更佳的性能、更方便的實(shí)施操作，以及更短的設(shè)計(jì)周期。