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滤波器增益放大器特定功能的放大器产品改善系统能力

运算放大器 (Op Amp) 已经出现很长时间了,实际上比半导体集成电路出现的时间都长。即使这样,IC 设计师仍然继续创新,以开发更小、更快、更准确和功率更低的运算放大器。也许更有意义的是,在集成度更高的 IC 产品中,运算放大器正越来越多地用作基本构件,而且每种 IC 产品都以特定种类的应用为目标。大多数电气工程师对于某些基于放大器的产品是熟悉的。作为基于运算放大器的集成电路产品,比较器、仪表放大器和差分放大器得到了广泛采用。这些产品执行了有用的功能,而且一般情况下,与相同的分立运算放大器电路相比,前者执行任务更快、更准确,使用的电路板空间也更少。本文专门讨论几类高速放大器产品,这些产品能提高新的仪表、医疗和通信应用的性能。这些产品已经进行了优化,以提供分立运算放大器电路不具备的功能和性能优势

  全差分高速放大器

  随着信号带宽增加,放大和驱动这些信号的挑战也增加了,尤其是需要数字化信号时,更是这样。高速流水线型 ADC 显现复杂的容性负载,需要在不给信号增加显著噪声或失真的条件下驱动这样的负载。大多数高速 ADC 如今都采用差分输入,以在一个有限的输入电压范围 (由于半导体工艺几何尺寸的日益缩小所致) 内实现 SNR 的最大化。

  传统上,一直用高速开环 RF 型放大器驱动这些 ADC。但是一般情况下,这些放大器是单端的,需要大量功率,并要求一个 5V 至 12V 的电源。最近,已经开发了全差分放大器,这些放大器以高速度驱动 ADC,并实现了卓越的噪声和失真性能。这些放大器常常用先进的互补双极型硅锗 (SiGe) 工艺制造。因为锗原子比硅原子大,所以给不同的硅工艺有选择地增加一些锗可在硅材料的晶体结构中引起压力。这种压力实际上导致有益的电气特性,可制造出更快的晶体管。LTC6404 就是这样一个硅锗全差分放大器。这个放大器可以用来驱动差分信号,或对单端信号进行转换,如图 1 所示。LTC6404 针对信号带宽从 DC 直到 10MHz 的 14 位和 18 位应用。对于高达 10MHz 的输入信号而言,它实现了好于 90dB 的失真和不到 1.5nV/√Hz 的噪声,从而使该器件非常适用于高性能仪表。任何放大器的关键内部组件都是其补偿电路,该电路设定保持该器件稳定的最低增益。IC 设计师可以在较低增益时的稳定性和较高频率时的更好性能之间权衡。LTC6404 有 3 种版本:单位增益可稳定的 LTC6404-1、去补偿的 LTC6404-2 和 LTC6404-4,LTC6402-2 和 LTC6404-4 分别以 2 和 4 的最低增益实现了更高的速度和更好的失真特性。LTC6404 用 2.7V 至 5.25V 的单电源工作,提供轨至轨输出,允许系统设计师最大限度地扩大输出摆幅。还提供一个更宽温度范围 (-40℃至 125℃) 的 LTC6404 版本,以用在坚固的仪表应用中。

 进一步的集成可以提供更多益处。在高频时,系统稳定性可能成为重大挑战,这主要是因为在电路板上传送高速信号引起了寄生电容。通过在放大器中集成增益和反馈电阻器,可减少电路板上的分立组件,并因此减少杂散电容。另外,关键的反馈节点被转移到了芯片上,从而使电路对连接导线的电感不那么敏感了。LTC6400 就是这样一个产品,就高达约 300MHz 的高频信号而言,它实现了稳定性和高性能。LTC6420-20 更进一步,它在单芯片上集成了两个通道,从而可以在两个通道之间实现更好的相位和增益匹配。

  高速可变增益放大器

  通过采用全差分高速放大器,并纳入增益控制以形成一个可变增益放大器 (VGA) ,甚至可以实现更高的集成度。VGA 作为数字控制或模拟控制器件提供,对自动增益控制和温度补偿尤其有用。LTC6412 (图 2) 是全差分模拟控制 VGA 的一个例子,这种 VGA 在整个频率、温度和增益范围内具有卓越的稳定性和一致性。LTC6412 具有 800MHz 时的 -3dB 带宽,为用 1MHz 至 500MHz 的输入信号工作而优化,并提供从 -14dB 至 17dB 的连续增益调节。它在整个增益范围内实现了恒定输出噪声水平,在最高增益设置时具有仅为 10dB 的噪声指数 (NF)。这导致了恒定 SFDR 特性,在整个增益控制范围内,在 240MHz 时仍然保持高于 120dB。

  高速有源滤波器

  第三个基于高速集成放大器的产品例子是高速有源滤波器。直到最近,市场上大多数集成式有源滤波器的带宽都限制为低于 2MHz。需要更高截止频率的系统设计师别无选择,只能开发分立式设计,而分立式设计笨重,并占用大量电路板空间。如果系统需要更高阶的滤波器或高的滤波器准确度,那么这种挑战会加剧。使高性能差分放大器和 VGA 得以实现的工艺和设计进步,同样使开发更高带宽的有源滤波器成为可能。与前面描述的放大器类似,这些新的滤波器常常是全差分和以在低电源电压时实现更好的 SNR。凌力尔特公司已经推出多种大带宽有源滤波器基本构件,打算用作减轻设计任务负担的即用解决方案。这些单路和双路匹配滤波器提供集成的、高度准确的滤波能力,以小的占板面积提供卓越的动态范围性能。它们适用于多种应用,如用于驱动高分辨率 A/D 转换器的抗混叠滤波器,在无线通信接收器和发送器中用于 D/A 转换器的重建滤波器,工业和医疗信号处理中的光学和图像处理滤波器,仪表和测试、RFID 调制基带滤波器,以及信号处理应用中所有类型的滤波。

LTC6601 含有一个低噪声、宽带放大器以及内置分类电阻器和电容器,以形成一个 2 阶差分输入和输出的低通滤波器。这些电阻器和电容器从引脚引出,允许用户混合和匹配不同的组合,以形成从 5MHz 至 27MHz 的多种低通响应以及滤波器增益。这些内部电阻器和电容器满足 ±0.5% 的容限。另外,该放大器的带宽还在工厂中进行了微调。该组合提供的低通滤波器响应的准确度在用分立组件时是难以做到的,同时这组合可确保卓越的可重复性并显著节省电路板空间。图 3 显示该滤波器通过引脚搭接内部电阻器和电容器以实现不同滤波器响应的拓扑。通过级联多级该滤波器,可以非常容易地设计具有准确响应的更高阶滤波器。

  就像 LTC6420 双路高速放大器的例子一样,集成的有源滤波器还可以设计成在同一封装中具有多个通道,以在多通道系统中提供匹配的增益和相位。LTC6605 就是这样一个基于 LTC6601 的双路滤波器。3 个版本实现从 6.5MHz 到 25MHz 的截止频率。这些双通道滤波器具有有保证的增益和相位匹配规格。它们为即用型、小外形尺寸、具最少外部组件的解决方案而设计。

  LT6604 系列是另一个双路宽带滤波器的例子,这些滤波器为在额定频率带宽范围内提供严格匹配的相位和幅度性能而设计。这个系列提供固定 2.5MHz、5MHz、10MHz 和 15MHz 截止带宽,可用 3V、5V 或 ±5V 电源供电。它们的响应有 4 阶逼近契比雪夫 (Chebyshev) 滚降过渡带,同时在直到规定截止频率的通带内保持严格的 0.6dB 增益平坦度。频率响应不受增益设置的影响,增益设置由两个外部电阻器控制。LT6604 为今天新一代先进的通信接收器、仪表和信号处理设备而设计,这些设备需要准确的多通道滤波和匹配特性。

  如 LTC6602 和 LTC6603 所展示的那样,更高阶双通道滤波器也可以实现。LTC6602 结合了一个与 4 阶高通滤波器级联的 5 阶低通滤波器,以形成一个带通响应。增益和截止频率可利用引脚搭接或 SPI 接口设定。高通滤波器可以在软件控制下旁路,从而仅提供低通滤波功能。最高工作频率为 900kHz,适用于 RFID 阅读器和更低频率的通信接收器。相比之下,LTC6603 有更大的带宽,最高截止频率高达 2.5MHz。它是一个真正的 9 阶低通双通道滤波器,并在比转角频率高一个倍频程的条件下提供了超过 45dB 的抑制。

  结语

  半导体工艺技术和集成电路设计的进步使全新一类为高频应用而优化的放大器产品成为可能。高速硅锗工艺在更大的带宽上实现更高的性能。这些放大器产品通过采用差分架构,就给定电源范围而言,最大限度地扩大了动态范围。良好匹配的内置电阻器和电容器提供卓越的噪声和失真性能,同时在温度变化范围内提供卓越的匹配。最后,可以集成多个通道以提供通道至通道匹配,而用电路板级的分立放大器很难实现这样的匹配。

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