飛兆案例：同時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)計師正面對著許多設(shè)計挑戰(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)接口時的信號保真度等，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，同時需要大輸出電流(用于驅(qū)動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)到的動態(tài)范圍。下面的公式為某個放大器的綜合動態(tài)范圍：

動態(tài)范圍=20Log10(VoutMax/VoutMin)

放大器的動態(tài)范圍受到電源電壓的限制，因其會對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)看一看每一個誤差項(xiàng)目。噪聲(放大器噪聲)具有三個基本成分：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。對于電壓和電流噪聲，都有兩個部分：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。