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利用低价高速放大器制作弹性化频率缓冲器
 

【作者: John Ardizzoni】2008年08月12日 星期二

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漱?相较于典型的频率缓冲应用装置,在具有较低频率与较少需求的消费性电子应用装置中,采用价格低廉的高速运算放大器(~100MHz带宽)可以提供比传统的频率缓冲器更具吸引力的替代方案。高速放大器比传统的频率缓冲器还要便宜,同时又能够符合在设计上的广范围设定。


对于低成本的频率缓冲器来说,ADA 4850(-1/-2)、ADA 4851(-1/-2/-4)、ADA 4853(-1/-2/-3)、以及AD 8061单电源供应运算放大器是相当不错的选择。这些放大器全部都具有低供应电压、低供应电流、针对供电源敏感应用装置的断电模式、以及轨对轨输出等特点,能够藉以实现广大的动态范围。


灵活应用运算放大器

相对于传统的频率缓冲器,运算放大器的一项优点就是具有弹性。运算放大器可以将计频率冲(clock pulse)予以缓冲、放大、偏移、反相、加总、减去、或是过滤。它们具有高输入阻抗、低输入偏压电流、低供应电流、独立的断电模式(针对在单一封装中的多重放大器)、低输出阻抗、以及低传播延迟。


设计工程师在频率缓冲应用装置中使用运算放大器时,对于某些运作上的限制必须要有所认知与遵守。就以利用电压反馈放大器设定增益带宽的产品来举例。当放大器电路的封闭回路增益提高时,其带宽就会缩减。因此较大的增益也就意味着较低的带宽。串接每组都具有较低增益的多重放大器,将可以使放大器能够在较高的带宽下运作,藉此确保信号路径的总体增益与带宽。



《图一 非反相运算放大器频率缓冲》
《图一 非反相运算放大器频率缓冲》

避免输出阶饱和失真

对于可携式电子设备来说,单电源供应的运作是相当重要的。依据定义,单电源供应运算放大器的输入共模范围应该包括有负极轨(negative rail)(接地);其中大部分都会低于接地的200 mV。然而这并不代表输出就可以在低于接地以下摆荡。典型轨对轨放大器的输出阶会采用共通的发射极设定。因此,输出所能够到达最接近轨的值为Vce (sat),其范围可以从数十毫伏特一直到数百毫伏特,依据输出负载而定。


幸运的是,在这些应用装置当中,输出在到达接地的过程中并不会经常性的需要摆荡。然而当输入过于接近接地时(介于100mV至200mV),输出阶就会饱和,进而产生失真以及较长的回复时间。在直流耦合(dc-coupled)的系统当中,将信号低点保持在高于200mV之上,或者使用- 200mV的负极供应电压。不论是两者之中的哪一种方法,都可以避免输出阶进入饱和状态。


《图二 在33MHz下,G=+2的瞬时响应》
《图二 在33MHz下,G=+2的瞬时响应》

放大器之裕度设定输入

放大器也可以用来设定裕度(headroom),或是它们的摆荡与正极轨可以有多接近,因此也必须要加以注意,以便配合输入共模范围的高边。假如输入电压变得太高时,输出阶将会产生失真与截断的情况。ADA 4850与ADA 4851需要有2.2 V的裕度,AD 8061需要1.8 V,而ADA 4853则只需要1.2 V。


图1中所示为单电源供应的非反相运算放大器以增益为+ 2之下的频率缓冲。图2中所示为其瞬时响应(transient response)。正如同所设定的一样,AD 8061的上限大约是33 MHz。而其所具有的2 ns传播延迟则能够与部份专用的频率缓冲相匹敌。



《图三 交流耦合(AC coupled)频率缓冲(单一增益)》
《图三 交流耦合(AC coupled)频率缓冲(单一增益)》

单电源供应实例

在某些应用装置中可以使用直流耦合,这将使得较高带宽的放大器能够被加以运用,以延伸频率性能。这些放大器可以将其输入与输出予以偏压至中供应(mid-supply),藉此使其能够应用在单电源供应的应用装置当中。


图3所示为采用AD 8057高速放大器的架构。该组件具有325 MHZ带宽以及1150 V/μs的转换率等特点,可以针对单一增益予以设定。注意到负载电阻会回返至等同于输入信号dc平均值的电压。这可以确保其输出将会参考至接地。此设定的较高运作范围大约是在100 MHz。图4所示为频率响应。注意到被维持在高达90 MHz的良好频率保真度。


《图四 交流耦合频率缓冲瞬时响应》
《图四 交流耦合频率缓冲瞬时响应》

结语

交流耦合频率缓冲瞬时响应


如上所示,当设计中需要一组频率缓冲时,高速放大器往往能够以较低的成本提供更多的弹性,进而使得高速放大器可以在许多的应用装置中与传统的频率缓冲相匹敌。不论是单一电源供应或是双电源供应放大器都能够加以使用,此必须依据特定的应用装置来加以决定。


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