幾類(lèi)高速放大器產(chǎn)品

運算放大器 (Op Amp) 已經(jīng)出現很長(cháng)時(shí)間了，實(shí)際上比半導體集成電路出現的時(shí)間都長(cháng)。即使這樣，IC 設計師仍然繼續創(chuàng )新，以開(kāi)發(fā)更小、更快、更準確和功率更低的運算放大器。也許更有意義的是，在集成度更高的 IC 產(chǎn)品中，運算放大器正越來(lái)越多地用作基本構件，而且每種 IC 產(chǎn)品都以特定種類(lèi)的應用為目標。大多數電氣工程師對于某些基于放大器的產(chǎn)品是熟悉的。作為基于運算放大器的集成電路產(chǎn)品，比較器、儀表放大器和差分放大器得到了廣泛采用。這些產(chǎn)品執行了有用的功能，而且一般情況下，與相同的分立運算放大器電路相比，前者執行任務(wù)更快、更準確，使用的電路板空間也更少。本文專(zhuān)門(mén)討論幾類(lèi)高速放大器產(chǎn)品，這些產(chǎn)品能提高新的儀表、醫療和通信應用的性能。這些產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)行了優(yōu)化，以提供分立運算放大器電路不具備的功能和性能優(yōu)勢

　　全差分高速放大器

　　隨著(zhù)信號帶寬增加，放大和驅動(dòng)這些信號的挑戰也增加了，尤其是需要數字化信號時(shí)，更是這樣。高速流水線(xiàn)型 ADC 顯現復雜的容性負載，需要在不給信號增加顯著(zhù)噪聲或失真的條件下驅動(dòng)這樣的負載。大多數高速 ADC 如今都采用差分輸入，以在一個(gè)有限的輸入電壓范圍 (由于半導體工藝幾何尺寸的日益縮小所致) 內實(shí)現 SNR 的最大化。

　　傳統上，一直用高速開(kāi)環(huán) RF 型放大器驅動(dòng)這些 ADC。但是一般情況下，這些放大器是單端的，需要大量功率，并要求一個(gè) 5V 至 12V 的電源。最近，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了全差分放大器，這些放大器以高速度驅動(dòng) ADC，并實(shí)現了卓越的噪聲和失真性能。這些放大器常常用先進(jìn)的互補雙極型硅鍺 (SiGe) 工藝制造。因為鍺原子比硅原子大，所以給不同的硅工藝有選擇地增加一些鍺可在硅材料的晶體結構中引起壓力。這種壓力實(shí)際上導致有益的電氣特性，可制造出更快的晶體管。LTC6404 就是這樣一個(gè)硅鍺全差分放大器。這個(gè)放大器可以用來(lái)驅動(dòng)差分信號，或對單端信號進(jìn)行轉換，如圖 1 所示。LTC6404 針對信號帶寬從 DC 直到 10MHz 的 14 位和 18 位應用。對于高達 10MHz 的輸入信號而言，它實(shí)現了好于 90dB 的失真和不到 1.5nV/√Hz 的噪聲，從而使該器件非常適用于高性能儀表。任何放大器的關(guān)鍵內部組件都是其補償電路，該電路設定保持該器件穩定的最低增益。IC 設計師可以在較低增益時(shí)的穩定性和較高頻率時(shí)的更好性能之間權衡。LTC6404 有 3 種版本：?jiǎn)挝辉鲆婵煞€定的 LTC6404-1、去補償的 LTC6404-2 和 LTC6404-4，LTC6402-2 和 LTC6404-4 分別以 2 和 4 的最低增益實(shí)現了更高的速度和更好的失真特性。LTC6404 用 2.7V 至 5.25V 的單電源工作，提供軌至軌輸出，允許系統設計師最大限度地擴大輸出擺幅。還提供一個(gè)更寬溫度范圍 (-40℃至 125℃) 的 LTC6404 版本，以用在堅固的儀表應用中。

　進(jìn)一步的集成可以提供更多益處。在高頻時(shí)，系統穩定性可能成為重大挑戰，這主要是因為在電路板上傳送高速信號引起了寄生電容。通過(guò)在放大器中集成增益和反饋電阻器，可減少電路板上的分立組件，并因此減少雜散電容。另外，關(guān)鍵的反饋節點(diǎn)被轉移到了芯片上，從而使電路對連接導線(xiàn)的電感不那么敏感了。LTC6400 就是這樣一個(gè)產(chǎn)品，就高達約 300MHz 的高頻信號而言，它實(shí)現了穩定性和高性能。LTC6420-20 更進(jìn)一步，它在單芯片上集成了兩個(gè)通道，從而可以在兩個(gè)通道之間實(shí)現更好的相位和增益匹配。

　　高速可變增益放大器

　　通過(guò)采用全差分高速放大器，并納入增益控制以形成一個(gè)可變增益放大器 (VGA) ，甚至可以實(shí)現更高的集成度。VGA 作為數字控制或模擬控制器件提供，對自動(dòng)增益控制和溫度補償尤其有用。LTC6412 (圖 2) 是全差分模擬控制 VGA 的一個(gè)例子，這種 VGA 在整個(gè)頻率、溫度和增益范圍內具有卓越的穩定性和一致性。LTC6412 具有 800MHz 時(shí)的 -3dB 帶寬，為用 1MHz 至 500MHz 的輸入信號工作而優(yōu)化，并提供從 -14dB 至 17dB 的連續增益調節。它在整個(gè)增益范圍內實(shí)現了恒定輸出噪聲水平，在最高增益設置時(shí)具有僅為 10dB 的噪聲指數 (NF)。這導致了恒定 SFDR 特性，在整個(gè)增益控制范圍內，在 240MHz 時(shí)仍然保持高于 120dB。

　　高速有源濾波器

　　第三個(gè)基于高速集成放大器的產(chǎn)品例子是高速有源濾波器。直到最近，市場(chǎng)上大多數集成式有源濾波器的帶寬都限制為低于 2MHz。需要更高截止頻率的系統設計師別無(wú)選擇，只能開(kāi)發(fā)分立式設計，而分立式設計笨重，并占用大量電路板空間。如果系統需要更高階的濾波器或高的濾波器準確度，那么這種挑戰會(huì )加劇。使高性能差分放大器和 VGA 得以實(shí)現的工藝和設計進(jìn)步，同樣使開(kāi)發(fā)更高帶寬的有源濾波器成為可能。與前面描述的放大器類(lèi)似，這些新的濾波器常常是全差分和以在低電源電壓時(shí)實(shí)現更好的 SNR。凌力爾特公司已經(jīng)推出多種大帶寬有源濾波器基本構件，打算用作減輕設計任務(wù)負擔的即用解決方案。這些單路和雙路匹配濾波器提供集成的、高度準確的濾波能力，以小的占板面積提供卓越的動(dòng)態(tài)范圍性能。它們適用于多種應用，如用于驅動(dòng)高分辨率 A/D 轉換器的抗混疊濾波器，在無(wú)線(xiàn)通信接收器和發(fā)送器中用于 D/A 轉換器的重建濾波器，工業(yè)和醫療信號處理中的光學(xué)和圖像處理濾波器，儀表和測試、RFID 調制基帶濾波器，以及信號處理應用中所有類(lèi)型的濾波。

LTC6601 含有一個(gè)低噪聲、寬帶放大器以及內置分類(lèi)電阻器和電容器，以形成一個(gè) 2 階差分輸入和輸出的低通濾波器。這些電阻器和電容器從引腳引出，允許用戶(hù)混合和匹配不同的組合，以形成從 5MHz 至 27MHz 的多種低通響應以及濾波器增益。這些內部電阻器和電容器滿(mǎn)足 ±0.5% 的容限。另外，該放大器的帶寬還在工廠(chǎng)中進(jìn)行了微調。該組合提供的低通濾波器響應的準確度在用分立組件時(shí)是難以做到的，同時(shí)這組合可確保卓越的可重復性并顯著(zhù)節省電路板空間。圖 3 顯示該濾波器通過(guò)引腳搭接內部電阻器和電容器以實(shí)現不同濾波器響應的拓撲。通過(guò)級聯(lián)多級該濾波器，可以非常容易地設計具有準確響應的更高階濾波器。