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高增益、大帶寬,為什么電路還會(huì)發(fā)生振蕩?

發(fā)布時(shí)間:2020-05-18 來源:Xavier Ramus 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】在之前“高增益、高帶寬,如何兩者兼得?”一文中,我們探討了如何在實(shí)現(xiàn)高增益和高帶寬的同時(shí)還能保持足夠高的信噪比 (SNR)。這篇文章里我們將更加詳細(xì)地討論實(shí)施方法和可能發(fā)生的問題。
 
由于目標(biāo)增益非常高,首先需要檢查直流 (DC) 工作的情況,以檢驗(yàn)輸出偏移電壓是否處于預(yù)設(shè)范圍以內(nèi)。如果超出增益級和放大器直流參數(shù)、輸入偏置電流和輸入偏移電壓預(yù)設(shè)的范圍,則電路明顯可能存在振蕩。系統(tǒng)振蕩體現(xiàn)為多種形式,如噪聲增大、輸出偏移電壓以及在無負(fù)載情況下靜態(tài)電流增大等,不一而足。
 
如果發(fā)生振蕩、電路為高增益直流耦合且各級工作正常,則耦合每一級的交變電流 (AC) 會(huì)將輸出偏移電壓當(dāng)作電位問題掩蓋?,F(xiàn)在唯一剩下的問題就是消除不良的寄生特性。
 
在存在正反饋環(huán)路,或當(dāng)系統(tǒng)的相位裕度不足的時(shí)候,就會(huì)發(fā)生振蕩。由于放大器本身處于穩(wěn)定狀態(tài)且負(fù)載為阻性,唯一可能的原因就是存在正反饋環(huán)路。
 
圖 1 所示的下列電路可通過調(diào)整放大器在低頻率下的噪聲增益來處理較大的 DC 偏移。由此,任何直流分量在輸出端的增益僅為 1-V/V。此外,圖 1 還顯示了電源是通過電源層連接的。圖中給出了每個(gè)放大器的本地電源旁路電容器,但為簡化起見省略了全局電源旁路電容器。
 
高增益、大帶寬,為什么電路還會(huì)發(fā)生振蕩?
圖 1:帶電源層的多級放大器原理圖
 
試想,未級正在驅(qū)動(dòng)一個(gè)重負(fù)載,電流將從電源流入負(fù)載。該電流將對電源軌造成擾動(dòng)。由于多級放大器的電源軌連接在一起,我們將在第一級和第二級察覺到這種擾動(dòng)。擾動(dòng)會(huì)出現(xiàn)在第一級的輸出,只有第一級的電源抑制比 (PSRR) 可以衰減,然后再由第二級和第三級的信號(hào)增益放大。
 
如果擾動(dòng)頻率的 PSRR 低于第二級和第三級增益的乘積,那么負(fù)載產(chǎn)生的擾動(dòng)就會(huì)被放大。換言之,電源軌上存在正反饋環(huán)路。
 
解決的方法非常簡單,細(xì)致地進(jìn)行電路板的板面布局,讓電源先給未級供電,同時(shí)在各級之間插入一個(gè)串聯(lián)電感器。在下圖所示的三級放大器中,我們只給每個(gè)電源添加了兩個(gè)電感器。在圖 2 中,我們只在正電源上實(shí)施這種方法。注意,負(fù)電源可能也需要這樣處理。
 
高增益、大帶寬,為什么電路還會(huì)發(fā)生振蕩?
圖 2:在各級間實(shí)施電源隔離
 
圖 2 所示的范例采用了 LMH6629 作為第一級,OPA684 作為第二級和第三級。
 
采用 +5V 電源即可實(shí)現(xiàn)良好的 5MHz 的平坦頻帶,-3dB 帶寬為 10MHz。對于 10uV信號(hào),在放大率為 100,000V/V 的情況下,得到的 SNR 為大約 12dB。
 
高增益、大帶寬,為什么電路還會(huì)發(fā)生振蕩?
圖 3:每級之后的頻率響應(yīng)
 
 
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