設(shè)計分析:高速應(yīng)用中電流反饋運(yùn)放電路
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正因?yàn)槿绱?，?zhǔn)確地說，電流反饋運(yùn)放沒有增益帶寬積的限制。當(dāng)然，電流反饋運(yùn)放也不是無限快，其壓擺率(Slew Rate)不受內(nèi)部偏置電流的限制，但受三極管本身的速度限制。對給定的偏置電流，這就容許不用通常可能影響穩(wěn)定性的正反饋或其方法來獲得較大的壓擺率。
那么如何構(gòu)建這些電路呢？電流反饋運(yùn)放具有一個與差分對相對的輸入緩沖器，該輸入緩沖器大多數(shù)情況下常常是射極跟隨器或其它非常類似的電路。正相輸入端具有高阻抗，而緩沖器的輸出，即放大器的反相輸入具有低阻抗。相比之下，電壓反饋放大器的輸入都是高阻。
電流反饋運(yùn)放的輸出是電壓，并且它與流出或流入運(yùn)放的反相輸入端的電流有關(guān)，這由稱為互阻抗(transimpedance)的復(fù)雜函數(shù)Z(s)來表示(圖1)。在直流時，互阻抗是一個非常大的數(shù)，并且像電壓反饋運(yùn)放一樣，它隨著頻率的增加具有單極點(diǎn)滾降特性。
電流反饋運(yùn)放靈活性的關(guān)鍵之一是具有可調(diào)節(jié)的帶寬和可調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性。因?yàn)榉答侂娮璧臄?shù)值實(shí)際上改變放大器的交流環(huán)路的動態(tài)特性，所以能夠影響帶寬和穩(wěn)定性兩個方面。加之具有非常高的壓擺率和基于反饋電阻的可調(diào)節(jié)帶寬，你可以獲得與器件的小信號帶寬非常接近的大信號帶寬。在甚至更好的情況下，該帶寬在很寬的增益范圍內(nèi)大部分都維持不變。而因?yàn)榫哂泄逃械木€性度，你也可以在高頻大信號時獲得較低的失真。
如何發(fā)現(xiàn)最佳的反饋電阻RF
由于放大器的交流特性部分地取決于反饋電阻，這就讓我們能夠針對每一個特定的應(yīng)用“量身定制”放大器。降低反饋電阻的數(shù)值將提升環(huán)路增益。為了保持穩(wěn)定性和最大的帶寬，在低增益時，反饋電阻要設(shè)置為較高的數(shù)值；隨著增益的上升，環(huán)路增益自然降低。如果需要高的增益，可以利用較小的反饋電阻來部分地恢復(fù)環(huán)路增益。
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| 圖1：具有Z(s)和反饋電阻的電路示意圖 |
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| 圖2：能夠體現(xiàn)LMH6714特色的不同RF條件下的頻率響應(yīng) |
在圖2中你可以看到隨著你改變反饋電阻帶寬所發(fā)生的變化。在右手曲線的遠(yuǎn)處，反饋電阻RF等于147Ω，你可以看到頻率響應(yīng)具有相當(dāng)大的峰值。該曲線也具有最高的帶寬。減小該電阻到遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于這個147Ω，會導(dǎo)致你的脈沖響應(yīng)出現(xiàn)振鈴，如果再進(jìn)一步減小該電阻，實(shí)際上就會發(fā)生振蕩。RF等于300Ω的曲線具有優(yōu)異的平坦度和增益，并仍然具有與峰值頻率響應(yīng)可比的良好帶寬。
所以，我們不必犧牲太多的帶寬就已經(jīng)獲得了很高的穩(wěn)定性。利用600Ω的反饋電阻，你就能調(diào)節(jié)回你的頻率響應(yīng)。例如，如果一個應(yīng)用僅僅需要50~60MHz的帶寬，在該頻段內(nèi)的任何信號都會對噪聲有所貢獻(xiàn)，你可以利用反饋電阻來調(diào)節(jié)你的器件的頻率響應(yīng)。在如此有限的帶寬內(nèi)，利用如此高速的放大器的原因在于它提供優(yōu)異的信號保真度。
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| 圖3：建議反饋電阻與正相增益的關(guān)系 |
圖3來自相同器件的數(shù)據(jù)表，該圖說明了對給定正相增益的推薦反饋電阻。正如預(yù)期的那樣，對增益為2的放大器推薦采用300Ω的電阻，它具有最佳的增益平坦度、建立時間和速度的組合。此外，從該圖中可以看到，對增益為1的放大器需要采用600Ω的反饋電阻來獲得最優(yōu)化的性能。這是因?yàn)榄h(huán)路增益非常高，較大的電阻值對于穩(wěn)定性是必需的。這就是與電壓反饋架構(gòu)的主要差異。電流反饋放大器在使用時不能把輸出與反相輸入短路連接。
數(shù)據(jù)表上指定的最常用的電阻是針對增益為2的放大器。然而，你可以從圖2中看到，你最終使用的實(shí)際數(shù)值有很大的靈活性，在數(shù)據(jù)表中所推薦的數(shù)值是在性能表和曲線中公布的規(guī)范所使用的數(shù)值。
如圖3所示，對于增益為5的放大器，RF下降到200Ω。該增益設(shè)置電阻現(xiàn)在僅僅是50Ω，所以我們獲得的輸入緩沖電阻和增益設(shè)置電阻的值相近。這就降低了運(yùn)放的閉環(huán)互阻抗，并將隨著增益的提高而開始限制帶寬。在增益為8時，我們要把反饋電阻提高到275Ω。對于更高的增益，一旦不能降低反饋電阻來提高增益，帶寬將受到損失，而且放大器開始呈現(xiàn)電壓反饋放大器的特性。
電路板的布局
一般來說，在電流反饋放大器或高速器件的應(yīng)用中，要仔細(xì)考慮的事情之一就是電路板的布局設(shè)計。表面安裝的陶瓷電源旁路電容要非?？拷撈骷湫途嚯x小于3mm。如果需要更大的電容，可以在電路板上較遠(yuǎn)的地方布置電解電容。電路板上常常有電壓調(diào)節(jié)器，這時，在電壓調(diào)節(jié)器供應(yīng)商推薦的電解電容之外，不必要采用額外的電解電容。
布置在放大器附近的小陶瓷旁路電容為放大器的高頻響應(yīng)提供能量。根據(jù)放大器的速度和被放大的信號速度，可能要采用兩個數(shù)值大約相差10倍的陶瓷電容。例如，一個400MHz的放大器可能采用并連安裝的0.01uF和1nF電容。
當(dāng)購買電容時，核查其自諧振頻率至關(guān)重要，自諧振頻率在此頻率(400MHz)上下的電容毫無益處。地和電源層有助于為地電流和電源電流兩者提供低的阻抗路徑，在放大器的輸入和輸出引腳以及反饋電阻的下面，要避免走地和電源層，這樣做有助于通過減小不想要的寄生電容來維持放大器的穩(wěn)定性。
要在可能的地方嘗試采用表面貼裝器件，這些器件提供最佳的性能并占用的電路板空間也最小。電路板的布線應(yīng)該保持盡可能地短，并應(yīng)該調(diào)整其長寬以最小化寄生效應(yīng)。在電源布線上，最壞的寄生特性是直流電阻和自感，所以電源布線要盡可能地寬。另一方面，輸入和輸出連接線常常承載非常小的電流，所以容性寄生效應(yīng)對它們的危害最大。對于超過1cm的信號路徑，最好采用受控阻抗和兩端終接(匹配電阻)的傳輸線。
因?yàn)闊o法避免小量的寄生負(fù)載，電流反饋放大器的反饋電阻為特殊應(yīng)用提供調(diào)整放大器性能的靈活性。面對真正具有挑戰(zhàn)性的電路板設(shè)計，即使采用非常大的反饋電阻可能也是不夠的。
驅(qū)動容性負(fù)載
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| 圖4：利用串聯(lián)輸出電阻實(shí)現(xiàn)對容性負(fù)載的隔離 |
如圖4所示，通過引入一個電阻(ROUT)，放大器幾乎可以驅(qū)動任何大小的電容而沒有穩(wěn)定性問題。這是電壓和電流兩種反饋放大器常用的技術(shù)，當(dāng)驅(qū)動高速模/數(shù)轉(zhuǎn)換器時，該技術(shù)特別有用。ROUT電阻被放置在運(yùn)放和容性負(fù)載(即ADC)之間。只要電路板空間允許，要把電阻靠近放大器放置。
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| 圖5：LMH6738推薦的ROUT與容性負(fù)載的對比 |
在圖5中，圖表上的曲線顯示了根據(jù)電容大小建議的ROUT電阻數(shù)值。該圖表是根據(jù)1kΩ的阻性負(fù)載繪制的。如果RL的數(shù)值較小，ROUT也可以更小。另一個選項(xiàng)是把ROUT放在反饋環(huán)之內(nèi)(圖中沒有標(biāo)出)。你可以把RF連接到隔離電阻的輸出側(cè)，而不是圖中ROUT和放大器之間用RF連接。這樣做將保持增益的精度，但是跟在其它例子中一樣，你將仍然在隔離電阻上損失相同大小的電壓擺幅。盡管該技術(shù)確實(shí)有其缺陷，但應(yīng)該這樣實(shí)現(xiàn)。
因?yàn)殡娮韬碗娙菪纬梢环N低通濾波器，對于這種電路的應(yīng)用，存在某種帶寬的損失。實(shí)際應(yīng)用表明，無論電阻阻值多大，電容越大就越難驅(qū)動，并降低帶寬。
降低系統(tǒng)噪聲
如果你正在構(gòu)建一種IF放大器或低頻RF放大器，那么把噪聲最小化就特別重要。利用電流反饋放大器，增加反饋電阻常常能減小系統(tǒng)的噪聲，這是因?yàn)轭l率響應(yīng)衰減得比電阻噪聲的上升要快。
為了減小跟隨放大器電路的那部分噪聲，非常重要的一點(diǎn)是僅僅采用必需的帶寬，而不要選用超過應(yīng)用需求的帶寬。除了采用反饋電阻的最佳數(shù)值之外，你可以給電路添加附加的濾波電路。
利用Sallen-Key濾波器拓?fù)?，濾波器常?？梢员磺‘?dāng)?shù)睾喜⒌椒糯笃鞯姆答伨W(wǎng)絡(luò)中。如果可能的話，交流耦合將有助于消除低頻噪聲，那常常就是所謂的1/f噪聲，目標(biāo)是濾除在你的放大帶寬之外的所有噪聲。從系統(tǒng)的層面考慮，要求在電路中盡早布置最低噪聲和最高增益的模塊。你提高增益越早，其后噪聲對你的信號的影響就越小。如果可能的話，要避免大的信號源電阻，電阻增加的熱噪聲與電阻值成正比。
電壓反饋放大器的優(yōu)勢
如果比較電流反饋和電壓反饋兩種放大器，你會發(fā)現(xiàn)電壓反饋放大器在某些方面可能具有一定優(yōu)勢。利用電流反饋拓?fù)?，輸入偏置電流并沒有系統(tǒng)地匹配。正相輸入比反相輸入阻抗更大—通常具有更低的輸入偏置電流。反相輸入偏置電流通常將比較大，如果偏置電流必須流過大阻值的電阻的話，這樣做可能導(dǎo)致輸入電壓的偏移。
在電流反饋器件上的偏移電壓可以被匹配并使之相當(dāng)小，但從系統(tǒng)的觀點(diǎn)看，它們不可能完全為零。所以，雖然典型的電流反饋放大器的偏置電壓可以被設(shè)計得非常好，但是它將隨著正常的工藝批號及溫度而變化比較大。如果需要非常高精度的輸入偏置電壓，那么電壓反饋放大器通常是比較好的選擇。
電流反饋放大器的緩沖器配置需要一個反饋電阻，而電壓反饋放大器可以采取直接短路連接。這樣做通常沒有問題，除非在設(shè)計中取代現(xiàn)有的電壓反饋放大器。最后，在電流反饋放大器的反饋環(huán)路中，電容會引起不穩(wěn)定性。一些常用的電路拓?fù)洳贿m合于電流反饋放大器，對于大多數(shù)這些電路，需要重新設(shè)計電路板，以使之滿足電流反饋放大器工作的要求。
作者： Loren Siebert
應(yīng)用工程師
美國國家半導(dǎo)體公司
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