最大化地利用高速放大器电路.doc

最大化地利用高速放大器电路（驱动容性负载） 简介建立一个高速放大器电路，带有MHz范围内的带宽，需要对细节引起足够的注意，使得PCB的布线十分重要，随着带宽的增加，PCB布线问题就会变得越来越重要。当设计一个系统时，需要注意信号带宽不是唯一重要的因素；高速放大器本身的实际带宽（超过信号带宽）也同样重要，认识到这两点是十分重要的。记住，超过信号带宽的高速放大器的寄生效应和非线性效应可以导致过量噪声、过载阶段、高于预期的失真乃至由非对称转换速率引发的直流偏移。所以，当实际设计电路时，设计者必须重视超过信号频率范围的信号频率以及放大器带宽。让我们来回顾一下有关高速放大器电路寄生电容的反应。 信号走线的寄生电容寄生电容可以导致放大器达到最大值，在极端情况下的震荡。一个皮法小电容可以控制增益平度和带宽。整个皮法可以产生更为恶劣的影响。概括地说，通过增加走线之间的距离以及减短走线长度来降低寄生电容。 设计一个高频放大器电路时，将寄生电容降到最低的最重要的节点之一位于运算放大器的反向输入。这是由于寄生电容与反馈电阻和增益电阻（即：Rf,Rg）之间的相互作用。很多放大器都是使用在低增益，但是相对较高的Rf,Rg的情况下使用的。接地反相输入的电容与Rg平行，直接影响运算放大器的闭环传递函数。此外，这个电容可以给环形回路增加一个磁极，这使得反馈不稳定。寄生电容不能增加很多；图一为我们展示了当增加一个额外的皮法电容（Rf, Rg = 510 Ohms）时的情况： 图1、CLC4600视频线路驱动器（交流响应和倒相输入电容） 少量的寄生电容也是避免不了的。CADEKA元件可以通过一个带有实际布局的应用板进行测量，它具有位于反相输入的0.5-1 pF的寄生电容。寄生电容的这个数量是所有CADEKA数据表的标准，而且在高频放大器的设计中已经进行了说明。当性能开始下降的时候会给PCB布局增加额外电容（超出正常水平的）。增加与反相输入尽可能连接紧密的元件，这样使额外电容降到最低。不要给反相输入腿脚长距离走线，增加一个或者两个零散的皮法电容起不到什么作用。移除反相输入附近的接地层和电源层，这样也可以减少接地电容。 高速放大器正相输入通常是由一个低电源阻抗驱动的，这与反相输入不同（反相输入是由阻抗Rf|Rg驱动的）。正相输入典型地是通过另外一个相对较低的阻抗放大器驱动的，或者通过一条终端传输线驱动的(50 or 75 Ohms/2)。这便使得正相输入对寄生电容的敏感度不是很强。 对电容敏感度很强的另外一个腿脚为输出腿。这个敏感度来源于与负载电容相互作用的放大器的内部输出阻抗，同时它容易使反馈环形制传输产生一个额外的电极。通常，随着带宽的增加，放大器对寄生效应的敏感度也会增加。 走线间电容也可能引发高速放大器电路截面间的非预期耦合。（位于输入腿的）高阻抗走线比（位于输出腿的）低阻抗走线更容易受耦合的影响。把精力集中在高阻抗走线的可能性耦合，在可能的地方增加走线间的距离可以将耦合降至最低。另外一个方法就是在两个信号走线之间铺地线，这使得寄生电容成为接地电容，而非是与另一个信号线之间的寄生电容。 考虑一下高速放大器对电容的敏感度，你可以想象一下大多数插座对交流反应的巨大影响。可能有时候会用到带有小而短腿脚的插座，但是我们是不推荐使用的。带有锁臂和弹簧触点的插座绝对不推荐用于高速放大器。 电容为放大器提供的负载阻抗随着频率增加而降低。在这里十分重要的频率不是应用的信号频率，而是所用放大器的频率响应。高速放大器对电容性负载更加敏感，这是由于负载阻抗比较低速放大器的负载阻抗低。这意味着在1MHz带宽放大器中你不会在布局和负载方面遇到问题，但是在较高速放大器中通常会产生问题。 为什么驱动容性负载会有问题放大器具有一个非零输出阻抗。输出阻抗，连同负载电容和其他元件，这样会给反馈环路增加一个附加的磁极（见图2）。磁极的增加与电容时间常数相关。电容的时间常数是由电阻决定的，即RO和RL以及(Rf+Rg)的并联组合。将磁极移到高频需要降低一个或者更多的电阻值。 图2、CLC4600视频线路驱动器（驱动非缓冲电容性负载） 除了放大器的标准环路响应以外，还有一个新的磁极。它至多可以降低相位裕度，最坏的情况下，它可以导致放大器震动。通过降低RL值可以改善放大器震动的情况，但是这会引发信号保真度和功率的其他问题。 图3、CLC4600视频线路驱动器（驱动过频非缓冲电容性负载） 图3为我们展示了CLC4600运算放大器电容性负载的反应。对其的测量方法使用与上面相同的原理图（R0不是放大器的一个外元件，而是一个内元件），Rf=Rg=510 Ohms, RL=100.电容大大超过20pF时会导致放大器震动。如果负载电阻降低或者被移除，放大器震动会越剧烈。 如何解决放大器震荡的问题最好的改进方法是降低或者移除电容性负载，但是这通常是不可能的。最简单的方法是在运算放大器输出和负载电容器之间增加一个串联电阻（RS）（见图4）。起初，这听起来可能会使情况变得更糟糕，但是这个附加的外部电阻是在反馈环路的外部而不是内部： 图4、CLC4600视频线路驱动器（驱动缓冲电容性负载） RS降低了电容增加的相移，并且是放大器和负载电容绝缘。选择正确的RS值会空着由负载电容引发的放大器的震当，而且会使带宽降低一些。 RS是如何运行的在下面的CLC4600 数据表中选择RS值（见图5），选择最小的电阻值可以确保放大器震动低于1dB。电阻值无需精确地如表所示高一点的电阻会导致放大器震动减轻，而且会使带宽减少一点。 图5、CLC4600视频线路驱动器（驱动过频缓冲电容性负载） 使用正确的串联电阻值可以驱动多种负载电容。串联电阻值主要取决于放大器带宽；查看放大器数据表来选择推荐的电阻值。 接地寄生问题 正如前面提到过的，应该移除反相输入腿脚附近的接地层和电源层。对于(50MH的)高速放大器来说，移除输出针附近的接地层也是一个很好的选择。也需要考虑接地元件的许多问题。接地层不是理想的导体；他们通常由寄生电阻和电感形成的网状网络组成。相对于每条路径的电导来说，接地层中的电流通常是多路径分散式流动的。当电流流过接地层阻抗时，使得整个接地层产生不同的信号电压。信号电平相当小，但是对敏感电路有影响。 谐波失真（主要是偶谐波）对接地电流走线十分敏感，尤其是在高增益情况下。从放大器输出端流出的电流流向负载电容，并且根据极性，绕过电容器返回电源。因为多个供电腿脚(+VS和 -VS)位置通常不相邻，所以接地电流返回路径各不相同，而这是有极性决定的。有些电流将会绕过输入接地，由于接地电流走线，对一个电源具有较强的影响。这使得输入信号的单边极性改变了，但是不包括另外一个极性，这会引起附加的偶谐波失真（第二个，第四个，第六个，等等）。可以通过旋转旁路电容器以便使他们的接地转向输出而非输入，这样可以减少偶谐波失真。使旁路电容器增加三倍或者四倍的一个很好的方法是使公共点处的主动旁路电容和被动旁路电容接地，使所有极性的返回电路流经同样的路线。 输入接线和输出接线 除了电容影响高速放大器以外，长输入和输出走线或者电缆由于自身的电感和电容也会干扰正常信号。这可以使走线本身产生一个交流反应，这个交流反应随着走线一端到另一端的频率的变化而变化。 走线的长度是不可避免的，避免损坏信号的最好方法就是使用一个可控的阻抗接线。它包括输入和输出的终端电阻，以及终端电阻器间的一段传输线。如果信号仍然在同一个PC板上，可以使用微带线作为传输线，如果信号离开PC板，需要使用同轴电缆作为传输线。通常，长于几厘米的走线（能够更好地传输信号）得益于使用一个可控的电阻接线 当设计一个高速放大器电路时，将系统分解为组成系统的各种各样的功能块以及标明每个性能的限制因