對增益大于等于10時保持穩(wěn)定的放大器進行補償以在較低增益下工作
本文說明如何補償一個增益為9倍以上時通常保持穩(wěn)定的放大器(如 ADA4895-2),以使其在增益低至2時工作,提供比等效內(nèi)部補償放大器更高的壓擺率和更快的建立時間。本文將提出兩種方法并突出每種電路的優(yōu)缺點。
ADA4895-2與ADA4896-2、ADA4897-1和ADA4897-2同屬一個系列,是一款雙通道、低噪聲、高速、電壓反饋、軌到軌輸出型放大器。它在增益為10時可保持穩(wěn)定,增益帶寬積為1.5 GHz,壓擺率為940 V/μs,0.1%建立時間為26 ns,10 Hz時1/f噪聲為2 nV/√Hz,寬帶噪聲為1 nV/√Hz,2 MHz時無雜散動態(tài)范圍為?72 dBc。這款器件采用3 V至10 V電源供電,每個放大器的靜態(tài)功耗為3 μA。
圖1. 方法1:補償ADA4895-2實現(xiàn)增益為+2時保持穩(wěn)定
方法1如圖1所示,在反相輸入端增加一個簡單的RC電路(RC = 28 Ω 且 CC = 56 pF),且反饋電阻并聯(lián)一個反饋電容(CF = 5 pF)。該電路在高頻時的噪聲增益為+9,在諧振頻率(1/2πRCCC = 100 MHz)以下的頻率時噪聲增益為+2。雖然高頻時的噪聲增益接近+9,但只要由RO 和 CL構成的低通濾波器能夠阻隔高頻成分,總輸出噪聲就能保持在低水平。這種情況下,放大器可以在增益為+2時工作,而總輸出噪聲則非常低(3.9 nV/√Hz)。
可以擴展這種配置以支持+2到+9之間的任何增益。表1顯示了各種增益設置的元件值和總寬帶輸出噪聲。
表1. 用于增益低于+10的元件值,RT = RO = 49.9 Ω
增益 | RC (Ω) | CC (pF) | RG (Ω) | RF (Ω) | CL (pF) | 總輸出噪聲1 (nV/√Hz) |
+2 | 28.6 | 56 | 200 | 200 | 330 | 3.88 |
+3 | 33.3 | 56 | 100 | 200 | 270 | 5.24 |
+4 | 40 | 56 | 66.7 | 200 | 200 | 6.60 |
+5 | 50 | 56 | 50 | 200 | 150 | 7.96 |
+6 | 66.7 | 40 | 40 | 200 | 150 | 9.32 |
+7 | 113 | 30 | 37.5 | 226 | 120 | 10.82 |
+8 | 225 | 20 | 32.1 | 226 | 120 | 12.18 |
+9 | N/A | N/A | 31.1 | 249 | 100 | 13.67 |
1完整的總噪聲公式見下文。
圖2. 方法2:補償ADA4895-2實現(xiàn)增益為+2時保持穩(wěn)定
方法2如圖2所示,在反相輸入端與同相輸入端之間增加一個電阻(R1 = 28 Ω),將放大器的噪聲增益提高到+9。R1上無電壓,因而無電流通過其中。因此,R1與同相輸入端并聯(lián)所得的輸入阻抗仍然非常高。輸入至輸出信號增益等于1 + RF/RG,本例中即為+2。補償電路未使用電容,因而不存在頻率依賴性。這意味著,與第一種方法相比,低頻時的寬帶輸出噪聲始終較高。
可以擴展這種配置以支持+2到+9之間的任何增益。表2顯示了各種增益設置的元件值和總寬帶輸出噪聲。
表2. 用于增益低于+10的元件值,RT = RO = 49.9 Ω, CL = 120 pF
增益 | R1 (Ω) | RG (Ω) | RF (Ω) | 總輸出噪聲1 (nV/√Hz) |
+2 | 28.6 | 200 | 200 | 13.39 |
+3 | 33.3 | 100 | 200 | 13.39 |
+4 | 40 | 66.5 | 200 | 13.39 |
+5 | 49.9 | 49.9 | 200 | 13.39 |
+6 | 66.5 | 40 | 200 | 13.39 |
+7 | 113 | 37.4 | 226 | 13.53 |
+8 | 225 | 32.4 | 226 | 13.53 |
+9 | N/A | 30.9 | 249 | 13.67 |
1完整的總噪聲公式見下文。
圖3顯示了圖1和圖2所示電路的小信號和大信號頻率響應,采用50 Ω分析儀,G = +5 V/V或14 dB。如圖所示,兩個電路均非常穩(wěn)定,峰化略高于1 dB。只要使用表1和表2中的值,增益范圍在+2至+9時均可保持穩(wěn)定。
為降低總輸出噪聲,可以調整輸出端的低通RC濾波器以將此電路的帶寬降至50 MHz或更低,具體取決于應用。
圖3. G = +5時的頻率響應
為什么方法1中的輸出噪聲優(yōu)于方法2中的輸出噪聲?
方法1中的輸出噪聲遠低于方法2,尤其是在增益低于+7時,這是因為方法1中的噪聲增益僅在高頻時較高。高頻時,可以利用低通濾波器來消除高頻噪聲成分。但在方法2中,放大器始終在噪聲增益為+9時工作,即便在低頻時亦如此。因此,總輸出噪聲不隨增益而變化,如表2所示。下面是這兩種方法對應的公式(注意:RE = RG//R1)。
方法1的公式:總輸出噪聲=
方法2的公式:總輸出噪聲=
每種方法的優(yōu)缺點
我們給出了兩種不同的方法,說明如何利用若干外部元件來使高增益穩(wěn)定型放大器能在低增益下穩(wěn)定地工作。與方法2相比,方法1采用了更多的無源元件,因而可能會占用更多的電路板空間,成本更高。作為回報,第一種電路的總輸出噪聲低于第二種電路。因此,選擇何種電路取決于具體應用及其要求的規(guī)格。
如圖4所示,與增益大于等于+1時保持穩(wěn)定的內(nèi)部補償放大器ADA4897-2相比,去補償?shù)腁DA4895-2提供更高的壓擺率(300 V/μs對100 V/μs)和更快的建立時間。隨著電路增益提高,這些優(yōu)勢還會擴大。
圖4. G = +2時對比補償與去補償放大器
結論
ADA4895-2去補償放大器在增益大于9時保持穩(wěn)定,可以通過補償來實現(xiàn)低增益工作。本文提出的兩種方法通過提高復雜度來降低總寬帶噪聲。與增益大于等于+1時保持穩(wěn)定的內(nèi)部補償放大器ADA4897-2相比,兩種方法均能提供更高的壓擺率和更快的建立時間。
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