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高速I/O电流回授运算放大器的应用
模拟技术学院(12)

【作者: Loren Siebert】2005年09月05日 星期一

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电流回授与电压回授在架构上有很大的不同。前者因没有基本增益带宽乘积之限制,并且具有本质上的线性度,因此非常适用于高速信号。电流回授运算放大器的带宽多少受到增益的限制,不过限制程度还是比电压回授组件要小。此外,其转换率并非受到内部偏压电流的限制,而是局限在晶体管本身的速度限制上。因此不需使用正回授或其他转换加强机制即可为偏压电流提供更高的转换率。


相对于差模(Differential Pair),电流回授运算放大器具有输入缓冲器,此通常是指放射追踪器(emitter follower)或其他相类组件。非反相输入有极高的阻抗;反相输入放大器的缓冲器输出则有较低的阻抗。比较起来,电压回授放大器的两种输入都具有高阻抗。


电流回授运算放大器的输出为电压,与流出或流入运算放大器反相输入的电流,相似处是转阻(transimpedance)的复杂功能。转阻于直流时非常高,且与电压回授运算放大器一样都有频率渐增时的单极点下降。


《图一 显示转阻和回授电阻 RF》
《图一 显示转阻和回授电阻 RF》

电流回授运算放大器具有可调整的带宽和稳定性。回授电阻会控制闭回路动态,进而影响带宽和稳定性。电流回授其中一项优点便是具有操作稳定的大信号带宽。其高转换率与可依照回授电阻调整带宽的运作方式来取得非常接近小信号组件带宽的大信号带宽。且其固有的线性度更能于高频率时取得较低的失真率和较大的信号。


RF阻值的重要性为何? @内文:随回授电阻变化的闭回路特性使工程师能跳脱持续增益带宽的限制。其中的关键在于可降低使回路增益随着增益增加时,保持高增益的回授电阻值。

《图二 RF对频率反应的影响》
《图二 RF对频率反应的影响》

请参阅(图二)。在宽带视讯放大器的范例中,可以看到改变回授电阻时带宽的变化。在最右边RF为200ohms的曲线上,看到频率反应大幅升高。几乎升了半个dB。此曲线也具有最大带宽。回授电阻减少时,带宽会再度升到最高点。将电阻降到200ohms时可能会让脉冲反应有减幅震荡的情形,过低时会导致大幅震荡。在RF=300的曲线上可以看到稳定的上升,且带宽仍可达最高频率反应的要求。因此无须牺牲大半带宽来达到稳定度。所以当回授电阻增加到500ohms时,将有调整频率反应的空间。若应用设备只需50或60MHz的带宽,而且更高的带宽导致噪声产生时,则可利用回授电阻调整频率反应。


《图三 视讯放大器RF对增益的影响》
《图三 视讯放大器RF对增益的影响》

(图三)是同一组件的数据表。此表显示出不同于非反相增益的建议回授电阻。在此表中可以看到,增益为1时需要1000ohm的回授电阻才能达到最佳效能。原因是回路增益过高时,则需要较大电阻来降低其值。这是与电压回授架构非常不同的地方。电流回授放大器不适用于以反向输入端的输出短路。


数据表中最常见的电阻所对应的增益是2。不过在图二中,最后实际使用的值有很大的弹性。数据表中建议的值只是可选择范围内的中间值。再回到图三,增益为4时,RF降至150ohms,现在增益电阻只有50ohms,所以这时输入缓冲电阻会与增益电阻有相同的值。此情况会降低放大器的闭回路转阻,且当增益增加时会开始限制带宽。增益为7时,又会回到300ohm的回授电阻。此时所得到的电流回授带宽与预期的值有所出入,也就是当增益超过7时,带宽就开始减少。此种情况与电压回授非常类似。值得注意的是,虚线代表不同运算放大器所需的最低回授电阻值,此值会依照反相输入电阻或放大器的稳定性而有所不同。任何一个因素都会发挥影响并限制最低的回授电阻量。


电路板布局

针对电流回授运算放大器或一般的高速组件需要仔细考虑的便是电路板布局。电源旁路电容需非常靠近组件,一般不超过3mm。需有两组电容:可远离电路板的大型电解电容,与需非常靠近组件的小型陶瓷旁路电容。小型陶瓷旁路电容用以供电给高速瞬时电压并去耦合组件旁的电源。若在这类电容上放置电感器会影响其效能。因此需尽量使用接地平面和电源层提供接地电流和电源电流较低的阻抗路径。不过在接地平面和电源层时,务必要靠近输入/输出的接脚,如此一来,便可降低接脚上的寄生电容。


反相输入接脚和回授电阻对交流接地都需有最小电容。另外,任何运算放大器的输出接脚也都需要有最小电容。因此需尽量在合适的地方使用已表面黏着的组件。这样可以将寄生电容降到最低。 另可减少电流传送路径,或是在输入/输出接脚上使用控制阻抗与双端的传输线。


《图四 寄生电容,1pF反向输入、1pF 输出》
《图四 寄生电容,1pF反向输入、1pF 输出》

(图四)显示电流回授运算放大器少量寄生输入和输出电容的变化情形。绿线代表理想曲线,红线代表从寄生电容所得到的最高频率反应。图四上得到的最终结果是1pF的反相输入接脚和1pF的输出接脚。工程师可增加回授电阻的值来抵消这类小量的寄生负载,此为电流回授运算放大器的另外一个优点。不过若电路板配置不佳的话,即使有较大的回授电阻,还是有可能导致急遽峰波甚至是振荡的情形发生。


驱动电容负载

(图五)是用在电压和电流回授组件上,以隔绝电容负载的运算放大器的一般技巧(特别是电容输出的电阻负载量非常小时,例如驱动高速模拟-数字转换器时)。将RISO电阻置于运算放大器和电容负载之间。图上的曲线代表依电容大小的不同而建议的RISO电阻值。此图以1000ohm的电阻负载为标准。若RL值较小,RISO也会较小。另外一种方是就是将RISO置于回授回路内(未显示于图中)。可将RF接在绝缘电阻的输出端上,取代如图中将RF接在RISO和放大器中间的方式。这样可以维持增益准确性,不过使用绝缘电阻还是会失去部分电压转换幅度。


《图五 绝缘电阻vs.电容负载》
《图五 绝缘电阻vs.电容负载》

减少系统噪声

当建立以电流回授运算放大器为架构的系统时,其设计理念就是要将输出的噪声减到最低,尤其当建立IF放大器或低频率RF放大器时,这点格外重要。其中一项步骤便是正如之前的图表所示:降低频率反应的峰值。其方法包括使用建议的回授电阻值,或是在必要时扩大回授电阻值。另外一项步骤为交流耦合。同样地,也可以使用只通过适当频率的滤波器。这样可以阻绝所有的噪声,只接受放大频带上的讯号。将最高宽带放大器早点置于电路上。越早加入增益,之后影响信号的噪声会越少。同时也先将最低的噪声增益组件置于电路上。一般而言,工程师也会从低噪声放大器、砷化镓(GaAs)组件或低噪声分布式组件获得增益。尽可能避免较大的源端电阻。电阻器会依电阻值增加等值的热量噪声。


电流回授的注意事项

在比较电流回授运算放大器和电压回授时,请注意以下事项:@内标:


●使用电流回授放大器时不会除去输入偏压电流。因为此组件不是对称电路,所以两个电流间没有固定的平衡。一般而言,用做较高阻抗的非反相输入有较低的输入偏压电流,反相输入则有较高的偏压电流做为射极随耦器阶段的输出;


●电流回授组件的偏移电压可被配对并变得极小,但是其值并非一致为零。此类电压并非自然平衡,所以一般电流回授运算放大器的偏移电压将会不如电压回授设计;


●缓冲器组态需要回授电阻,此环节不能省掉。因为若缓冲器架构系统中的电压回授放大器有布局电路板,则需将回授电阻换成电流回授的组件;


●最后,回授回路内的电容通常都会导致系统不稳定。任何在较高频率时减少回授网络至反相输入阻抗会在回授阻抗值下降时,使频率反应达到最高峰。


结语

●最后,回授回路内的电容通常都会导致系统不稳定。任何在较高频率时减少回授网络至反相输入阻抗会在回授阻抗值下降时,使频率反应达到最高峰。


在需要高输出振幅和低失真度时,电流回授运算放大器可说是高速信号的最佳解决方案。可将电流回授放大器的优点应用于设备中,包括视讯线路驱动器和路由器的简报质量、模拟-数字转换驱动器、IF放大器和频率缓冲器。事实上,无论在何地,信号的精确度和高速都是电流回授放大器最主要的运作目标。


市场动态

(作者为NS美国国家半导体应用工程师)如果说IT(Information Technology;信息技术)界要颁发最速黯淡奖,那么笔者可能会提名InfiniBand,理由是InfiniBand的规格及标准规范自1999年开始起草,2000年正式 发表,之后主力业者纷纷退出。 ST发表了具备超低噪音与超低功耗特性的高速运算放大器系列产品TSH310、TSH330、TSH350;这些组件采用高速BiCMOS技术与电流反馈架构,可应用在逻辑分析仪、示波器、视讯驱动器、影像系统以及电池供电仪器等领域。InfiniBand:还会有多少人想起我?

ST高速运算放大器支持高阶影像应用你可在「 ADI发布一款运算放大器AD8677,尺寸为同类组件的1/4,与该公司的工业标准OP07高性能、超低失调电压运算放大器相比,具有更高的精度。 」一文中得到进一步的介绍。

ADI推出工业测量和控制系统应用的运算放大器在「TI推出业界最低失真的5V单电源运算放大器,最适合需要高速、低失真和低噪声的各种应用。」一文为你做了相关的评析。

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