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高性能放大器設計技術

上網時間: 2006年10月24日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:放大器  設計指南  穩定性  電路板設計規則  旁路電容器 

放大器被用於許多不同的應用之中,它們可以被用做高速類比數位轉換器的輸入緩衝器、多個視訊負載的驅動器和測試儀器應用中的高速脈衝訊號放大器,等等。目前,市場上的大多數高速(>50MHz)放大器的使用都非常方便,但是在適當的情況下,它們會變成非常穩定的振盪器。

高速放大器振盪的最常見原因包括:1. 放大器的輸出未經緩衝而驅動容性負載;2. 電路板佈局導入的附加電感或電容器;3. 不合適的電源旁路;4. 不遵守放大器設計規則。本文將詳細討論這些違規作業。遵循下述通用的設計指南,你在採用高速放大器進行設計過程中將遭受較少的挫折。

驅動電抗性負載

驅動容性負載或同軸電纜等電抗性負載可做為參考。驅動容性負載可直接減少放大器的相位裕量。容性負載和放大器輸出阻抗引起的相位滯後將導致欠阻尼脈衝響應或振盪。一些放大器能直接驅動大的容性負載,而另外一些放大器需要一個串聯電阻來緩衝輸出級。要查閱放大器的數據手冊以確定你的放大器屬於哪一類。如圖1所示,放大器輸出端上的小的串聯電阻(Rs)將改善穩定性和設立性能。


圖1:容性負載驅動電路的典型拓樸

不使用串聯電阻來驅動同軸電纜也可能引起頻率急劇增加或振盪。圖2描述了同軸電纜驅動電路的典型配置。


圖2:電纜或傳輸線的驅動電路

電阻Rs和RL都等於電纜或傳輸線的特徵阻抗Zo。放大器輸出阻抗隨著頻率的增加而增加。電容器C可被用於在更大的頻率範圍內匹配電纜,它能補償放大器不斷增加的輸出阻抗。

通用電路板設計指南

整體的電路板和電源旁路的設計在確保高頻性能中發揮重要作用。高速放大器的最敏感接腳是反向輸入端和輸出接腳。若要順利實現設計,最好遵循下列整體設計指南:

1. 要利用電路板上的接地層為零組件提供一個低電感值的接地連接,然而,要把高速放大器下面和周圍的地平面去除,特別是輸入和輸出接腳附近的地平面,以減少雜散電容器。

2. 盡可能使用表面黏著零組件,因為它們提供低的接腳電感。如果採用有接腳的零組件,就要讓接腳最短,特別是把Rf和Rg控制為最小,以減少放大器反向輸入端的串聯電感。

3. 要設計緊密的電路板並最小化所有的佈線長度,特別是最小化Rf和Rg,以減少放大器反向輸入端的串聯電感。

4. 不要使用插槽。把採用表面封裝的放大器直接焊接到電路板上可以獲得最佳性能。如果要用插槽的話,用flash-mount插槽,而不要使用體積較高的插槽。

電源旁路做法

要在每一個電源上採用旁路電容器。旁路電容器在電源接腳上提供一條低阻抗的電流返迴路徑,改善了對電源噪音的抑制,並濾除電源走線上的高頻分量。要查閱製造商提供的數據手冊中的推薦容值。大多數製造商推薦採用6.8uF的鉭電容器和0.1uF的陶瓷電容器。在某些情況下,幾個放大器可以共享該鉭電容器。但是為了最佳化性能,系統中的每一個放大器都使用一個陶瓷電容器。

為了實現最佳性能,要按照下列要求放置電容器:

1. 把6.8uF電容器放置在距離電源接腳0.75英吋的範圍內;

2. 把0.1uF電容器放置在距離電源接腳0.1英吋的範圍內。

把陶瓷電容器放置在距離電源接腳0.1英吋的範圍內是至關重要的。隨著距離的增加,因存在附加走線電感的緣故,旁路電容器的效果會下降。圖3描繪了單電源放大器的例子。


圖3:單電源放大器的基本放大器正向增益配置

如果採用雙電源供電,那麼另一個電源要採用同樣的旁路電容器。

基本放大器設計規則

1. 一些放大器具有最小穩定增益要求。如果放大器所使用的增益低於推薦的最小穩定增益,它就可能振盪。

2. 如果採用電流反饋放大器,則:a. 根據你的增益要求,採用製造商推薦的反饋電阻值;b. 在放大器的直接反饋迴路中,不要使用電容器或其它非線性元件;c. 對於單位增益配置,要使用反饋電阻;不使用標準電壓跟隨器電路。

本文小結

當採用高速放大器進行設計時,要遵循下列基本設計指南:1. 驅動容性負載時,採用串聯電阻;2. 電路板設計要採用接地層,但是,要消除輸入/輸出附近的接地平面:3. 消除長的接腳或採用表面黏著零組件;4. 消除I/O端附近的任何寄生電容器或電感;5. 在每一個電源接腳上使用電源旁路電容器;6. 盡可能把旁路電容器靠近放大器的電源接腳放置;7. 查閱製造商提供的數據手冊:8. 確保不違反放大器的最小穩定增益;9. 對於電流反饋放大器:採用推薦的反饋電阻;在反饋迴路中,不要採用電容器或二極體,除非採取了特別措施來確保穩定性。

作者:Debbie Brandenburg

訊號調節產品行銷工程師

Fairchild公司




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