15.4 全差分放大器 — FDA的噪声和噪声控制

大家好

欢迎来到全差分放大器系列的第四部分

在这个视频中

我们将分析造成 FDA 总体噪音的各种因素

我们还将研究大反馈电阻

如何影响高速 FDA 的相位裕度

以及如何在使用大电阻时

正确补偿 FDA

最后我们还将介绍一种

称为 DVGA 的特殊 FDA

它具有可变增益

可以通过数字接口来进行编程

全差分放大器的噪声分析

与标准运算放大器非常相似

放大器本身有三个噪声源

差分电压噪声

如图上所示

和两个电流噪声源

每个放大器的输入端都有一个

两个电流噪声源的值相等

但是不相关

类似于单端运算放大器

FDA 的差分输出噪声传递函数

有四个不同的术语

总噪声是使用叠加来计算的

分别考虑每个源

然后使用平方和的平方根

来加总不相关事件

现在我们将单个进行分析

FDA 的电压噪声

会因噪声增益而放大

每个输入的电流噪声乘以反馈电阻

每个增益电阻的热噪声被信号增益

RF 超过 RG 时放大

每个反馈电阻的热噪声

都得到 FDA 的输出

而没有进一步的增益

许多高速放大器的数据表

都推荐了反馈电阻的系列值

电路设计人员可以自由来改变 RF 的值

但应该意识到这样做的权衡

与放大器电压噪声相比

增加 RF 和 RG

会导致电阻器产生更大的噪声

例如 402Ω 电阻的热噪声

为每 RT 赫兹 2.6mV

大于 THS4551 的电压噪声

进一步增加反馈电阻

将限制系统信噪比或者 SNR

当前的噪声增益

也会随着 RF 的增加而增加

对于 THS4541

如果 RF 设置为 1000Ω

每个放大器输出的电流噪声增益

将为每 RT Hz 1.9nV

由于放大器输入偏置偏移电流

增加的电阻也增加了直流失调的可能

最后反馈电阻和放大器输入电容

以及任何 PCB 寄生电容

将导致噪声增益为零

这往往会降低放大器的相位裕度

这个效果将在随后的图片中

进行更详细的研究

在前面的图片中

我提到放大器的输入电容和 RF

一起会产生噪声增益为零

这可能会降低相位裕度

现在让我们更深入地探讨这个情况

为了简化问题

我将把 FDA 分成两半

然后在其中一半进行分析

每一半的差分电容现在是原始值的两倍

在低频时

噪声增益由电阻设置

为 1+RF/RG

随着频率的增加

电路的阻抗将开始减小

并且在这里所示的等式给定的频率下

噪声增益开始增加

CDIFF_IN 和 CCM_IN

分别是所有差分输入

和共模输入电容的总和

放大器电容以及来自于 PCB 的寄生电容

都应该包括在方程中

噪声增益会开始增加

因为与 RG 并联的容性阻抗

会降低噪声增益方程分母中的总输入阻抗

从而导致噪声增益的增加

假设放大器的噪声增益为 10dB

RF 为 402Ω

RG 为 187Ω

放大器输入电容为 0.8pF 时

它的零点将在 800MHz

超出环路增益交叉频率

因此不会影响闭环的稳定性

现在假定电阻增加一个数量级

使得 RF 为 4000Ω

RG 为 1.9kΩ

由于 PCB 布局不良

也假定寄生电容为 2pF

这将总输入差分电容增加到了 2.8pF

并将零点频率降低到了约 20MHz

在这些条件下

环路增益交叉处的闭合速率

是每十倍频 40dB

表示潜在的不稳定性

总之

在高速应用中

使用大阻值电阻时

应该密切地关注潜在的稳定性的问题

这对于单端和全差分放大器都是适用的

为了抵消由于噪声增益为零

引起的相位的损失

可以通过添加反馈电容 CF 来引入极点

在高频时

电容的阻抗将主导噪声增益方程

高频噪声增益是输入和反馈电容的比率

由此处所显示的公式给出

为了稳定本例中的环路

我们将 CF 设置为 1pF

随后将这个极点设置为 40MHz

如图中所示

这个极点具有平滑噪声增益的效果

并且在环路增益交叉处的合成闭合速率

现在为每十倍频 20dB

这有助于提高稳定性

我们需要记住

要经常通过 SPICE 模拟环路增益

来检查稳定性和相位裕量

为了防止宽带系统中的信号反射

电路通常需要使用称为匹配终端的方法

使其输入阻抗与传输线的特性阻抗相匹配

射频和高速传输线中

最常见的特性阻抗是 50Ω

每当 PCB 走线或电缆足够长

被视为传输线时

都需要匹配端接

当工作频率数的 G 线或者电缆的长度

大于 λ/8 时

会出现这种情况

其中 λ 是以米为单位的波长

等于 300 除以以 MHz 表示的信号频率

例如频率为 600MHz的信号的波长 λ

等于0.5m

或者约 20英寸

如果连接电缆长于 2.5 英寸时

就是一个传输线

在这里显示了一个具有

有源电阻 RS

和匹配终端电阻 RT 的 FDA 电路

RG2 的值等于 RG1

和源电阻和终端电阻并联组合的总和

在此处，给出了给定源阻抗

放大器增益和反馈电阻 RT 值的等式

考虑到解决上一张图片中

终止电阻 RT 的方程的复杂性

我们提供了一个 excel 计算器

可以从 TI 的门户网站上下载到这个计算器

这个计算器的使用是非常简单的

只需要在这里输入电源电阻

所需的反馈电阻和设计的目标增益

计算器将提供 RT、 RG1 和 RG2 的计算值

计算器也将电阻值四舍五入到最接近的

匹配标准 196 的电阻值

德州仪器 TI

拥有广泛的全差分放大器的产品组合

可以满足广泛的应用需求

THS4531A、THS4541 和 THS4551

是高精度宽带 FDA

带宽从 27MHz 到 850MHz 不等

它们可用于驱动高分辨率的

SAR 和 δ-σ ADC

以及一些中速的流水线 ADC

如 ADC 3k 系列流水线的转换器

接下来的三款放大器的速度范围

从 3GHz 到 7GHz

可用于驱动千兆采样的高速 ADC

如果需要大信号增益

它们也可用于中速的应用

LMH6552 是一款采用电流反馈拓扑结构的

全差分放大器

电流反馈拓扑结构的主要优点之一

是其增益带宽产品的独立性

因此 LMH652 可以在不牺牲带宽的情况下

以高增益来进行配置

OPA1632 是一款

低噪声高电压全差分放大器

它在音频的应用中非常流行

它们可以用作 ADC 驱动

或者用作音频 DAC

和D类放大器之间的前置放大器

在这里展示的器件

是 TI 广泛的产品组合中的一个子集

您可以查看 TI 放大器的门户网站

以来获取到我们最新的产品

德州仪器还提供多种可编程增益全差分放大器

我们称之为 DVGA

顾名思义

它的增益可以通过 SPI

或者并行接口进行数字编程

DVGA 具有非常宽的增益调节范围

从衰减到高增益

增益步长通常是以 dB 为单位的线性步长

例如 LMH6401 增益

可以从 -6dB 到 26dB

以 1dB 为单位变化

这些放大器

在具有宽动态范围的应用中

非常有用

自动增益控制的使用

将最好的利用 DVGA 之后的 ADC 的

满量程范围

可变增益放大器

广泛的用于测试和测量应用

以及通讯系统

像 FDA一样

DVGA 可以在单电源或者双极电源上运行

为了使 DVGA 与微控制器

以及 FPGA 之间的接口更容易

所有的 DVGA 都有一个额外的地参考引脚

DVGA 逻辑电平总是与地引脚相关

这使得数字接口独立于放大器的电源配置

但是与 FDA 不同

一些 DVGA 需要差分输入

它无法执行单端至差分的转换

在这种情况下

DVGA 它可以在 FDA 之前

来提供差分转换

LMH6881 是一个例外

它可以接受单端和输入的差分

从而结合了 FDA 和可变增益放大器的特性

DVGA 的输入可以是交流或者直流耦合

当然还有一些例外

我们有许多的产品

请您检查产品的数据表格

以了解任何输入耦合的限制

感谢您的观看

请参加一个测试

来检验您学到的知识

谢谢关看

大家好

欢迎来到全差分放大器系列的第四部分

在这个视频中

我们将分析造成 FDA 总体噪音的各种因素

我们还将研究大反馈电阻

如何影响高速 FDA 的相位裕度

以及如何在使用大电阻时

正确补偿 FDA

最后我们还将介绍一种

称为 DVGA 的特殊 FDA

它具有可变增益

可以通过数字接口来进行编程

全差分放大器的噪声分析

与标准运算放大器非常相似

放大器本身有三个噪声源

差分电压噪声

如图上所示

和两个电流噪声源

每个放大器的输入端都有一个

两个电流噪声源的值相等

但是不相关

类似于单端运算放大器

FDA 的差分输出噪声传递函数

有四个不同的术语

总噪声是使用叠加来计算的

分别考虑每个源

然后使用平方和的平方根

来加总不相关事件

现在我们将单个进行分析

FDA 的电压噪声

会因噪声增益而放大

每个输入的电流噪声乘以反馈电阻

每个增益电阻的热噪声被信号增益

RF 超过 RG 时放大

每个反馈电阻的热噪声

都得到 FDA 的输出

而没有进一步的增益

许多高速放大器的数据表

都推荐了反馈电阻的系列值

电路设计人员可以自由来改变 RF 的值

但应该意识到这样做的权衡

与放大器电压噪声相比

增加 RF 和 RG

会导致电阻器产生更大的噪声

例如 402Ω 电阻的热噪声

为每 RT 赫兹 2.6mV

大于 THS4551 的电压噪声

进一步增加反馈电阻

将限制系统信噪比或者 SNR

当前的噪声增益

也会随着 RF 的增加而增加

对于 THS4541

如果 RF 设置为 1000Ω

每个放大器输出的电流噪声增益

将为每 RT Hz 1.9nV

由于放大器输入偏置偏移电流

增加的电阻也增加了直流失调的可能

最后反馈电阻和放大器输入电容

以及任何 PCB 寄生电容

将导致噪声增益为零

这往往会降低放大器的相位裕度

这个效果将在随后的图片中

进行更详细的研究

在前面的图片中

我提到放大器的输入电容和 RF

一起会产生噪声增益为零

这可能会降低相位裕度

现在让我们更深入地探讨这个情况

为了简化问题

我将把 FDA 分成两半

然后在其中一半进行分析

每一半的差分电容现在是原始值的两倍

在低频时

噪声增益由电阻设置

为 1+RF/RG

随着频率的增加

电路的阻抗将开始减小

并且在这里所示的等式给定的频率下

噪声增益开始增加

CDIFF_IN 和 CCM_IN

分别是所有差分输入

和共模输入电容的总和

放大器电容以及来自于 PCB 的寄生电容

都应该包括在方程中

噪声增益会开始增加

因为与 RG 并联的容性阻抗

会降低噪声增益方程分母中的总输入阻抗

从而导致噪声增益的增加

假设放大器的噪声增益为 10dB

RF 为 402Ω

RG 为 187Ω

放大器输入电容为 0.8pF 时

它的零点将在 800MHz

超出环路增益交叉频率

因此不会影响闭环的稳定性

现在假定电阻增加一个数量级

使得 RF 为 4000Ω

RG 为 1.9kΩ

由于 PCB 布局不良

也假定寄生电容为 2pF

这将总输入差分电容增加到了 2.8pF

并将零点频率降低到了约 20MHz

在这些条件下

环路增益交叉处的闭合速率

是每十倍频 40dB

表示潜在的不稳定性

总之

在高速应用中

使用大阻值电阻时

应该密切地关注潜在的稳定性的问题

这对于单端和全差分放大器都是适用的

为了抵消由于噪声增益为零

引起的相位的损失

可以通过添加反馈电容 CF 来引入极点

在高频时

电容的阻抗将主导噪声增益方程

高频噪声增益是输入和反馈电容的比率

由此处所显示的公式给出

为了稳定本例中的环路

我们将 CF 设置为 1pF

随后将这个极点设置为 40MHz

如图中所示

这个极点具有平滑噪声增益的效果

并且在环路增益交叉处的合成闭合速率

现在为每十倍频 20dB

这有助于提高稳定性

我们需要记住

要经常通过 SPICE 模拟环路增益

来检查稳定性和相位裕量

为了防止宽带系统中的信号反射

电路通常需要使用称为匹配终端的方法

使其输入阻抗与传输线的特性阻抗相匹配

射频和高速传输线中

最常见的特性阻抗是 50Ω

每当 PCB 走线或电缆足够长

被视为传输线时

都需要匹配端接

当工作频率数的 G 线或者电缆的长度

大于 λ/8 时

会出现这种情况

其中 λ 是以米为单位的波长

等于 300 除以以 MHz 表示的信号频率

例如频率为 600MHz的信号的波长 λ

等于0.5m

或者约 20英寸

如果连接电缆长于 2.5 英寸时

就是一个传输线

在这里显示了一个具有

有源电阻 RS

和匹配终端电阻 RT 的 FDA 电路

RG2 的值等于 RG1

和源电阻和终端电阻并联组合的总和

在此处，给出了给定源阻抗

放大器增益和反馈电阻 RT 值的等式

考虑到解决上一张图片中

终止电阻 RT 的方程的复杂性

我们提供了一个 excel 计算器

可以从 TI 的门户网站上下载到这个计算器

这个计算器的使用是非常简单的

只需要在这里输入电源电阻

所需的反馈电阻和设计的目标增益

计算器将提供 RT、 RG1 和 RG2 的计算值

计算器也将电阻值四舍五入到最接近的

匹配标准 196 的电阻值

德州仪器 TI

拥有广泛的全差分放大器的产品组合

可以满足广泛的应用需求

THS4531A、THS4541 和 THS4551

是高精度宽带 FDA

带宽从 27MHz 到 850MHz 不等

它们可用于驱动高分辨率的

SAR 和 δ-σ ADC

以及一些中速的流水线 ADC

如 ADC 3k 系列流水线的转换器

接下来的三款放大器的速度范围

从 3GHz 到 7GHz

可用于驱动千兆采样的高速 ADC

如果需要大信号增益

它们也可用于中速的应用

LMH6552 是一款采用电流反馈拓扑结构的

全差分放大器

电流反馈拓扑结构的主要优点之一

是其增益带宽产品的独立性

因此 LMH652 可以在不牺牲带宽的情况下

以高增益来进行配置

OPA1632 是一款

低噪声高电压全差分放大器

它在音频的应用中非常流行

它们可以用作 ADC 驱动

或者用作音频 DAC

和D类放大器之间的前置放大器

在这里展示的器件

是 TI 广泛的产品组合中的一个子集

您可以查看 TI 放大器的门户网站

以来获取到我们最新的产品

德州仪器还提供多种可编程增益全差分放大器

我们称之为 DVGA

顾名思义

它的增益可以通过 SPI

或者并行接口进行数字编程

DVGA 具有非常宽的增益调节范围

从衰减到高增益

增益步长通常是以 dB 为单位的线性步长

例如 LMH6401 增益

可以从 -6dB 到 26dB

以 1dB 为单位变化

这些放大器

在具有宽动态范围的应用中

非常有用

自动增益控制的使用

将最好的利用 DVGA 之后的 ADC 的

满量程范围

可变增益放大器

广泛的用于测试和测量应用

以及通讯系统

像 FDA一样

DVGA 可以在单电源或者双极电源上运行

为了使 DVGA 与微控制器

以及 FPGA 之间的接口更容易

所有的 DVGA 都有一个额外的地参考引脚

DVGA 逻辑电平总是与地引脚相关

这使得数字接口独立于放大器的电源配置

但是与 FDA 不同

一些 DVGA 需要差分输入

它无法执行单端至差分的转换

在这种情况下

DVGA 它可以在 FDA 之前

来提供差分转换

LMH6881 是一个例外

它可以接受单端和输入的差分

从而结合了 FDA 和可变增益放大器的特性

DVGA 的输入可以是交流或者直流耦合

当然还有一些例外

我们有许多的产品

请您检查产品的数据表格

以了解任何输入耦合的限制

感谢您的观看

请参加一个测试

来检验您学到的知识

谢谢关看