同時滿足交流和直流性能的放大器特性分析

　現代系統設計師正面對著許多設計挑戰，從實現數據轉換器的接口到維持其系統與模擬系統接口時的信號保真度等，他們很自然地轉向使用運算放大器來解決這些難題。因此，當今的放大器需要滿足高難度的技術規范組合。例如，機頂盒和DVD錄像機等消費電子視頻設備必須具備高帶寬，同時需要大輸出電流(用于驅動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范圍。

　　雖然高帶寬放大器已經出現幾十年了，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到的動態范圍。下面的公式為某個放大器的綜合動態范圍：

動態范圍=20Log10(VoutMax/VoutMin)

　　放大器的動態范圍受到電源電壓的限制，因其會對VoutMax造成直接影響。現代的“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，動態范圍便可以是無限。但是實際情況卻不是這樣，因為有許多誤差項目與放大器相關聯，包括輸入失調電壓、輸入偏置電流、輸入失調電流、共模抑制比、電源抑制比、噪聲，以及與所有這些項目相關聯的溫度漂移。

　　圖1所示為某個放大器的誤差項目。其中的所有誤差項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)

　　讓我們仔細看一看每一個誤差項目。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絡的熱噪聲。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。大多數制造商僅在寬帶噪聲占主導的頻率下規定噪聲，但是數據表還應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絡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。

　　1. 輸入偏置電流和失調電流

　　多數高速放大器由于在其輸入級使用了雙極晶體管，加上晶體管的高內部偏置電壓點，因而具有很大的輸入偏置電流。通常，這些誤差項目的影響是通過其與反饋網絡和/或源電阻的交互作用而帶來額外的失調電壓。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. 失調電壓

　　失調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，并且在大多數現代放大器中不能去除掉。一般認為失調電壓是放大器所有表現的參考點，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(開環增益, PSRR)、負載電流(間接開環增益, Aol)及溫度的影響。

　　3. CMRR

　　共模抑制比定義為差分增益與共模增益之比，通常用dB表示。實際上可以將其定義為相對于共模電壓的單位變化所引起的失調電壓變化：

CMRR=20Log10((Voffset/(Vcm)

　　4. PSRR

　　電源抑制比定義為相對于電源電壓的單位變化而引起的失調電壓變化：

PSRR=20Log10((Voffset/(Vsupply)

　　5. Aol

　　對于閉環放大器，可以將其定義為相對于失調電壓的改變而帶來的輸出電壓改變：

Aol=20Log10((Vout/(Voffset)

　　低Aol會引起失真、更低的VoutMax以及增益誤差。因為放大器的閉環增益定義為：

閉環增益=噪聲增益/(1+(噪聲增益/開環增益))

　　開環增益對閉環增益的精度有很大的影響。對于放大器IC設計師而言，在保證最大限度地增大帶寬、降低電源電壓以及減小功耗的同時，如何使這些誤差最小化是一項非常艱巨的任務，但是現代的工藝技術有助于更加方便地進行權衡和取舍。飛兆半導體的FHP3130/3230/3430系列放大器具有非常完善的規格：具有165MHz帶寬、100dB CMRR、PSRR及Aol，同時僅消耗2.5mA的電源電流，并且工作于2.7V至12V電源電壓。

　　表1所示為典型的性能參數。這些放大器提供寬帶寬，并同時具備大輸出電流和高開環增益，從而獲得優良的增益精度、低電源電壓以及單5V電源下優良的動態范圍。這些產品提供優良的交流性能和極好的直流性能，使設計師獲得兩方面的性能優勢。

表1：典型的放大器性能參數

　　本文小結

　　為了滿足當今系統設計師的要求，IC制造商正在采用新的工藝技術來開發具有適合的交流和直流性能組合的現代高速放大器。目前可供系統設計師選擇的高速放大器有很多，這些放大器提供了交流和直流方面的最佳性能，在各種終端市場應用領域的高速系統設計中，能夠實現更佳的性能、更方便的實施操作，以及更短的設計周期。