2.2.2 反向配置与轨对轨放大器的交越失真

欢迎参加 TI 高精度实验室课程

下面看一下反向配置放大器

和轨对轨放大器的交越失真

使用反向放大器的方法

可以消除共模电压的限制

因为反相放大器的共模电压恒定为 0V

当然这种配置的输入电压范围变成了负向

这种结构还有一些其他的特点

比如由于共模电压固定

所以精度不受共模抑制比的影响

还有输入阻抗相比同相配置结果更小

此处只有 10kΩ

而同相放大器具有上百兆Ω的输入阻抗

由于需要电阻配置反向增益

所以增益误差

比同相放大器的结构会大一些

在前面我们讨论了使用轨对轨放大器

来避免共模限制

但是不同轨对轨放大器

性能也是有比较大的差异的

早期的轨对轨放大器

具有一个误差源

称为交越失真限制

常见于双差分配置结构的轨对轨放大器

表现为放大器的失调电压

在共模范围内跳变

在这一页的例子里可以看到

蓝色的输入信号和红色的输入信号

是紧密跟踪的

直到发生交越失真

体现在一定共模电压下

失调电压突变

导致输出信号移位

信号中的这种失真称为交越失真

下面我们将具体讨论交易越失真的原因

图片中展示了两种不同的

实现轨对轨放大器的方法

通常情况下

一对差分对不能覆盖整个的电源输入范围

PMOS 输入结构

可以达到负的供电电压轨的线性范围

而 NMOS

可以达到正的电源轨的线性范围

如左图展示的一种方法

同时使用两种差分对以覆盖整个电源范围

实现轨对轨输入

PMOS 差分对负责共模电压

接近负电源轨的信号放大

而 NMOS 差分对负责

共模电压接近正电源轨的放大

使用两个差分对的方法的限制

使两个差分对的失调电压不一致

当共模电压在两个差分对

工作范围之内切换的时候

会导致失调电压的变化

会导致失调电压的变化

另一种实现轨对轨放大器的方法

从右图所示

使用内置的电荷泵来提升

PMOS 差分对的正向供电电压

PMOS 可以较容易的达到负电源轨

但是正电源轨会有限制

通过使用电荷泵

提升 PMOS 差分对的供电电压

可以使 PMOS 差分对的

输入范围达到正电源轨

在这个例子里

电荷泵加差分对的供电电压提升了 1.8V

以消除 PMOS 共模范围的限制

以达到轨对轨的效果

在上一张幻灯片中讨论了

如何使用内置电荷泵来解决交越失真

这种带电荷泵的

零交越失真输入结构的放大器

就比较适合 SAR 型 ADC的驱动了

但是电荷泵是开关电容器件

会产生噪声

有时候会干扰到有用信号

不过很多现代的零交越失真放大器

专门考虑了这个噪声

具有非常低的纹波

如 OPA365 里面的电荷泵

工作在 10MHz

工作在 10MHz

放大器的带宽是 50M 的

如果增益比较小

电荷泵的噪声会在信号带宽之内

而传递到输出

通常电荷泵的噪声相对于放大器的带宽

内的噪声是较小的

电荷泵产生的噪音也会传递到供电电压上

在这种情况下

其他的电源轨噪声和电荷泵的噪声

有可能产生一些谐波频率

所以最好对电荷泵的放大器

做比较好的去耦设计

使用磁珠也可以降低产生干扰的可能性

如图所示的布板结构可以保证

去耦电容足够靠近芯片

以达到较好的去耦效果

使用不同大小的去耦电容

并联也可以减小电荷泵传到电源轨上的噪声

如果不使用零交越失真的放大器

将会对 ADC 的 SNR 和 THD 产生什么影响呢

这一页展示了一些测试指标

看交越失真对 ADC 的 AC 性能的影响

OPA316 是具有交越失真的轨对轨放大器

共模电压穿越 3.8V 的时候

就会产生交越失真

测试方法是输入 2V 的峰峰值信号

并且改变共模电压

当输入电压进入交越失真的区域时

输出信号会产生较严重的失真

第一种情况

输入最大共模电压为 2.5V

没有进入交越失真区域

在这个区域 ADC 具有良好的 AC 性能

达到 108dB 的 THD

和 85dB 的SNR

提高共模电压到 3.75V

ADC 的 AC 性能没有受到明显的影响

因为共模电压还是比 3.8V 小

没有进入交越失真区间

达到了 104dB 的 THD 和 85dB 的SNR

THD 为 99dB

SNR 为 85dB

THD 降低了五个 dB

进一步提升共模电压到 4.75V

失真更加明显

谐波变得可观测

并且 AC 性能受到巨大的影响

THD 仅仅为 71.2dB

SNR 为 83dB

这个实验不是说

只能使用零交越失真放大器作为驱动器

在大多数情况下

交越失真不影响实际使用

如果系统对 AC 性能要求很高

那么交越失真

是导致性能降低的重要来源之一

在这次讨论中

我们讨论了很多不同的驱动电路

在某些应用场合

一些不常用的增益设置可能会出现

使用标准电阻设置这些特别的增益

可能会比较挑战

例如使用标准电阻产生一个

-0.122 的增益会比较复杂

TI 的模拟工程师计算器

可以帮助您计算一些常用的工程问题

其中一个非常实用的工具就是利用标准电阻

计算不同的增益

通过计算 -0.122 的增益

可以使用133Ω的 RF

和 1.09k 的 R1 实现

将这个电阻放大一百倍

要实现 -0.122 的增益

可以使用 13.3k 和 109k 的电阻

这个有用的计算器

可以通过下面这个链接来获取

感谢您的观看

你也可以通过检测题来提高您对这个章节的理解

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下面看一下反向配置放大器

和轨对轨放大器的交越失真

使用反向放大器的方法

可以消除共模电压的限制

因为反相放大器的共模电压恒定为 0V

当然这种配置的输入电压范围变成了负向

这种结构还有一些其他的特点

比如由于共模电压固定

所以精度不受共模抑制比的影响

还有输入阻抗相比同相配置结果更小

此处只有 10kΩ

而同相放大器具有上百兆Ω的输入阻抗

由于需要电阻配置反向增益

所以增益误差

比同相放大器的结构会大一些

在前面我们讨论了使用轨对轨放大器

来避免共模限制

但是不同轨对轨放大器

性能也是有比较大的差异的

早期的轨对轨放大器

具有一个误差源

称为交越失真限制

常见于双差分配置结构的轨对轨放大器

表现为放大器的失调电压

在共模范围内跳变

在这一页的例子里可以看到

蓝色的输入信号和红色的输入信号

是紧密跟踪的

直到发生交越失真

体现在一定共模电压下

失调电压突变

导致输出信号移位

信号中的这种失真称为交越失真

下面我们将具体讨论交易越失真的原因

图片中展示了两种不同的

实现轨对轨放大器的方法

通常情况下

一对差分对不能覆盖整个的电源输入范围

PMOS 输入结构

可以达到负的供电电压轨的线性范围

而 NMOS

可以达到正的电源轨的线性范围

如左图展示的一种方法

同时使用两种差分对以覆盖整个电源范围

实现轨对轨输入

PMOS 差分对负责共模电压

接近负电源轨的信号放大

而 NMOS 差分对负责

共模电压接近正电源轨的放大

使用两个差分对的方法的限制

使两个差分对的失调电压不一致

当共模电压在两个差分对

工作范围之内切换的时候

会导致失调电压的变化

会导致失调电压的变化

另一种实现轨对轨放大器的方法

从右图所示

使用内置的电荷泵来提升

PMOS 差分对的正向供电电压

PMOS 可以较容易的达到负电源轨

但是正电源轨会有限制

通过使用电荷泵

提升 PMOS 差分对的供电电压

可以使 PMOS 差分对的

输入范围达到正电源轨

在这个例子里

电荷泵加差分对的供电电压提升了 1.8V

以消除 PMOS 共模范围的限制

以达到轨对轨的效果

在上一张幻灯片中讨论了

如何使用内置电荷泵来解决交越失真

这种带电荷泵的

零交越失真输入结构的放大器

就比较适合 SAR 型 ADC的驱动了

但是电荷泵是开关电容器件

会产生噪声

有时候会干扰到有用信号

不过很多现代的零交越失真放大器

专门考虑了这个噪声

具有非常低的纹波

如 OPA365 里面的电荷泵

工作在 10MHz

工作在 10MHz

放大器的带宽是 50M 的

如果增益比较小

电荷泵的噪声会在信号带宽之内

而传递到输出

通常电荷泵的噪声相对于放大器的带宽

内的噪声是较小的

电荷泵产生的噪音也会传递到供电电压上

在这种情况下

其他的电源轨噪声和电荷泵的噪声

有可能产生一些谐波频率

所以最好对电荷泵的放大器

做比较好的去耦设计

使用磁珠也可以降低产生干扰的可能性

如图所示的布板结构可以保证

去耦电容足够靠近芯片

以达到较好的去耦效果

使用不同大小的去耦电容

并联也可以减小电荷泵传到电源轨上的噪声

如果不使用零交越失真的放大器

将会对 ADC 的 SNR 和 THD 产生什么影响呢

这一页展示了一些测试指标

看交越失真对 ADC 的 AC 性能的影响

OPA316 是具有交越失真的轨对轨放大器

共模电压穿越 3.8V 的时候

就会产生交越失真

测试方法是输入 2V 的峰峰值信号

并且改变共模电压

当输入电压进入交越失真的区域时

输出信号会产生较严重的失真

第一种情况

输入最大共模电压为 2.5V

没有进入交越失真区域

在这个区域 ADC 具有良好的 AC 性能

达到 108dB 的 THD

和 85dB 的SNR

提高共模电压到 3.75V

ADC 的 AC 性能没有受到明显的影响

因为共模电压还是比 3.8V 小

没有进入交越失真区间

达到了 104dB 的 THD 和 85dB 的SNR

THD 为 99dB

SNR 为 85dB

THD 降低了五个 dB

进一步提升共模电压到 4.75V

失真更加明显

谐波变得可观测

并且 AC 性能受到巨大的影响

THD 仅仅为 71.2dB

SNR 为 83dB

这个实验不是说

只能使用零交越失真放大器作为驱动器

在大多数情况下

交越失真不影响实际使用

如果系统对 AC 性能要求很高

那么交越失真

是导致性能降低的重要来源之一

在这次讨论中

我们讨论了很多不同的驱动电路

在某些应用场合

一些不常用的增益设置可能会出现

使用标准电阻设置这些特别的增益

可能会比较挑战

例如使用标准电阻产生一个

-0.122 的增益会比较复杂

TI 的模拟工程师计算器

可以帮助您计算一些常用的工程问题

其中一个非常实用的工具就是利用标准电阻

计算不同的增益

通过计算 -0.122 的增益

可以使用133Ω的 RF

和 1.09k 的 R1 实现

将这个电阻放大一百倍

要实现 -0.122 的增益

可以使用 13.3k 和 109k 的电阻

这个有用的计算器

可以通过下面这个链接来获取

感谢您的观看

你也可以通过检测题来提高您对这个章节的理解