高性能放大器設(shè)計(jì)的考量因素

放大器被用于許多不同的應(yīng)用中，它們可以被用做高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入緩沖器、多個(gè)視頻負(fù)載的驅(qū)動(dòng)器和測(cè)試儀器應(yīng)用中的高速脈沖信號(hào)放大器等。目前，市場(chǎng)上的大多數(shù)高速(>50MHz)放大器的使用都非常方便，但是在適當(dāng)?shù)那闆r下，它們會(huì)變成非常穩(wěn)定的振蕩器。高速放大器振蕩的最常見(jiàn)原因如下：

            1. 放大器的輸出未經(jīng)緩沖而驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載；

            2. 電路板布局引入的附加電感或電容；

            3. 不合適的電源旁路；

            4. 不遵守放大器設(shè)計(jì)規(guī)則。

            本文將更為詳細(xì)地討論這些違規(guī)操作。遵循下述通用的設(shè)計(jì)指南，你在采用高速放大器進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中將遭受較少的挫折。

            驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載或電抗性負(fù)載

            驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載可以直接減小放大器的相位裕量。容性負(fù)載和放大器輸出阻抗引起的相位滯后將導(dǎo)致欠阻尼脈沖響應(yīng)或振蕩。一些放大器能夠直接驅(qū)動(dòng)大的容性負(fù)載，而另外一些放大器需要一個(gè)串聯(lián)電阻來(lái)緩沖輸出級(jí)。要查閱放大器的數(shù)據(jù)手冊(cè)以確定你的放大器屬于哪一類(lèi)。如圖1所示，放大器輸出端上的小的串聯(lián)電阻(Rs)將改善穩(wěn)定性和建立性能。

            圖1：容性負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路的典型拓樸

            不使用串聯(lián)電阻來(lái)驅(qū)動(dòng)同軸電纜也可能引起頻率急劇增加或振蕩。圖2描述了同軸電纜驅(qū)動(dòng)電路的典型配置。

            圖2：電纜或傳輸線的驅(qū)動(dòng)電路

            電阻Rs和RL都等于電纜或傳輸線的特征阻抗Zo。放大器輸出阻抗隨著頻率的增加而增加。電容C可以被用于在更大的頻率范圍內(nèi)匹配電纜，它補(bǔ)償放大器不斷增加的輸出阻抗。

            通用電路板設(shè)計(jì)指南

            總體的電路板和電源旁路的設(shè)計(jì)在確保高頻性能中發(fā)揮重要的作用。高速放大器的最敏感引腳是反向輸入端和輸出引腳。要遵循下列總體設(shè)計(jì)指南：

            1.
            要利用電路板上的接地層為元器件提供一個(gè)低電感值的接地連接，然而，要把高速放大器下面和周?chē)牡仄矫嫒コ?，特別是輸入和輸出引腳附近的地平面，以減少雜散電容。

            2.
            盡可能使用表貼元器件，因?yàn)樗鼈兲峁┑偷囊_電感。如果采用有引腳的元器件，就要讓引腳最短，特別是把Rf和Rg控制為最小，以減小放大器反向輸入端的串聯(lián)電感。

            3. 要設(shè)計(jì)緊湊的電路板并最小化所有的布線長(zhǎng)度，特別是最小化Rf和Rg，以減小放大器反向輸入端的串聯(lián)電感。

            4. 不要使用插座。把采用表面封裝的放大器直接焊接到電路板上可以獲得最佳的性能。如果要用插座的話，用閃存插座(flash-mount
            socket)，而不要使用體積高的插座。

            電源旁路的通常做法

            要在每一個(gè)電源上采用旁路電容。旁路電容在電源引腳上提供一條低阻抗的電流返回路徑，改善了對(duì)電源噪聲的抑制，并濾除電源走線上的高頻分量。要查閱制造商提供的數(shù)據(jù)手冊(cè)中的推薦容值。大多數(shù)制造商推薦采用6.8uF的鉭電容和0.1uF的陶瓷電容。在某些情況下，幾個(gè)放大器可以共享該鉭電容。但是為了優(yōu)化性能，系統(tǒng)中的每一個(gè)放大器都使用一個(gè)陶瓷電容。

            為了實(shí)現(xiàn)最佳性能，要按照下列要求放置電容：

            1. 把6.8uF電容放置在距離電源引腳0.75英寸的范圍內(nèi)；

            2. 把0.1uF電容放置在距離電源引腳0.1英寸的范圍內(nèi)。

            把陶瓷電容放置在距離電源引腳0.1英寸的范圍內(nèi)是至關(guān)重要的。隨著距離的增加，因存在附加走線電感的緣故，旁路電容的效果會(huì)下降。圖3描繪了單電源放大器的例子。如果采用雙電源供電，那么另一個(gè)電源要采用同樣的旁路電容。

            圖3：?jiǎn)坞娫捶糯笃鞯幕痉糯笃髡蛟鲆媾渲?

            基本放大器設(shè)計(jì)規(guī)則

            一些放大器具有最小穩(wěn)定增益要求。如果放大器所使用的增益低于推薦的最小穩(wěn)定增益，它就可能振蕩。而如果采用電流反饋放大器：1.
            根據(jù)你的增益要求，采用制造商推薦的反饋電阻值；2. 在放大器的直接反饋環(huán)路中，不要使用電容或其它非線性元件；3.
            對(duì)于單位增益配置，要使用反饋電阻；不使用標(biāo)準(zhǔn)電壓跟隨器電路。

            本文小結(jié)

            當(dāng)采用高速放大器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要遵循下列基本設(shè)計(jì)指南：

            1. 驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載時(shí)，采用串聯(lián)電阻；

            2. 電路板設(shè)計(jì)要采用接地層，但是，要消除輸入/輸出附近的接地平面：

            3. 消除長(zhǎng)的引腳或采用表貼元器件；

            4. 消除I/O端附近的任何寄生電容或電感；

            5. 在每一個(gè)電源引腳上使用電源旁路電容；

            6. 盡可能把旁路電容靠近放大器的電源引腳放置；

            7. 查閱制造商提供的數(shù)據(jù)手冊(cè)；

            8. 確保不違反放大器的最小穩(wěn)定增益；

            9 .對(duì)于電流反饋放大器：采用推薦的反饋電阻。在反饋環(huán)路中，不要采用電容或二極管，除非采取了特別措施來(lái)確保穩(wěn)定性。