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  • 射频放大器设计难点

    千次阅读 2017-05-21 14:42:40
    七模18频道手机芯片 1、例如高通835芯片,中国移动、中国联通、中国电信全网都可以使用,支持全球所有运营商网络,兼容市面99%以上的资费卡; 2、低功耗设计,超低温运行,内置3500毫安电池,超长待机700小时,最大...


    七模18频道手机芯片

    1、例如高通835芯片,中国移动、中国联通、中国电信全网都可以使用,支持全球所有运营商网络,兼容市面99%以上的资费卡;

    2、低功耗设计,超低温运行,内置3500毫安电池,超长待机700小时,最大支持连续工作30小时;

    3、支持全球所有运营商网络(LTE-TDDLTE-FDDTD-SCDMAWCDMACDMA2000-EVDOCDMA1xEDGEGSM)支持七模18频道;

    4800--150兆下载、150M上传,根据网络状况,每秒速度2M-100M

    5、中国移动2G3G4G,中国联通2G3G4G,中国电信2G3G4G全网都可以使用;

    6、支持WIFI+USB两种连接模式,无线和USB数据线都可以用;采用最新2.4G5G技术,内置高增益芯片,具有超强信号穿透力,有效覆盖半径50米。

     

     

     

    RF前端带来如下挑战:

    一:如何保持现在用分立方案实现的所有电性能参数。如果性能下降,集成就没有意义了。

    二:如何提供更高的线性度和效率。

    三:如何提供相应的集成和工艺新技术,包括GaAsBiHEMT、倒装芯片模块等。

    四:如何解决附加频段对滤波器提出的挑战。

    五:如何保持合理的成本

     

    例如4G射频芯片设计:

    一、多频多模放大器(MMPA

    目前智能手机面临18种制式、12-18个频段共存的局面。将PA做成宽频,覆盖全频段。原则上1G附近,即800M850M900M700M,可以共用一条链路。2G附近,1.8G1.9G2.1G2.4G2.6G,可以做1个或者2PA

    MMPA最大商机是中、高端智能手机,这类手机使用大量频带和模式来确保漫游期间的语音和数据服务可用性。

     

    二、特殊性能的滤波器

    滤波器是机械波的装置,不能调频率不像PA,可以调到2.1G,可以调到1.8G。原则上每个频率都要一个滤波器。LTE下滤波器数量增加非常多,而且不同频道之间的距离非常小,相互干扰,相互限制,对滤波器性能提出更高的要求。共存滤波器,特别是TD-LTE宽频下很有挑战性。滤波器技术方面出现了一些创新,其中一种新技术叫体声波(BAW,不同于以往的声表面波(SAW)。BAW的特性在于更低的插入损耗、更陡峭的斜坡曲线、更有效的近频抑制,以及更优异的体积以及它的能量密度(单位面积传输的能量),进而提升产品性能。比如,TriQuint利用BAW技术的优势来支持以下频带:频带3、频带7、频带25、频带38、频带40、频带41以及Wi-Fi共存滤波器。

     

     

    多级放大器

    Γs是信号源反射系数,Γin是输入反射系数,Γout是输出反射系数,Γl是负载反射系数,如果某端口反射系数|Γout|大于1,则会引起正反馈导致不稳定。经过阻抗匹配,实现系统稳定的条件为使上面提到的四个参数都小于1。经过调整输入输出电阻完成阻抗匹配,实现系统稳定。

     

    抗干扰措施和减少噪声

    输入信号有效值小于1mV,系统增益变化范围为0~60dB,必须要有很好抗干扰措施,才能避免自激和减少噪声。实际制作中可采用下述方法减少干扰,避免自激:

    1)印制电路板采用双层和四层的,匹配线宽、线间距,以及覆铜的区域,合理布置信号、电源的位置,减少干扰。

    2)输入部分通过低噪声低温漂的高速运算放大区,提高信噪比,减小前级噪声引入及占整体的比例。

    3)将输入部分和增益控制部分装在屏蔽盒中,避免级间干扰和高频自激;

    4)电源隔离,各级供电采用磁珠隔离,输入级和功率输出级采用隔离供电,在电路电源口接上0.1uF10uF左右的电容,分别滤除高频干扰及稳压, 输入级电源靠近屏蔽盒就近接上大电解电容, 盒内接高频瓷片电容,可避免低频自激,并且电源线采用双绞线,以屏蔽干扰;

    5)将整个运放用很宽的地线包围,以吸收高频信号,减少噪声。

    6)各模块之间采用同轴电缆连接。

     

    【以上笔记均摘抄自全国大学生电子设计竞赛题目要求和选题 --北京航空航天大学 张晓林

    如侵删

     






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  • 自制wifi信号放大器

    2014-08-18 14:33:00
    自制wifi信号放大器 只要家里安装了一台无线路由器,在家里的任何地方都可以使用带上网功能的电子产品上网,但是由于距离的问题,WiFi信号有强弱之分,离无线路由器稍微远点,信号就有所降低,上网速度...

    自制wifi信号放大器

    只要家里安装了一台无线路由器,在家里的任何地方都可以使用带上网功能的电子产品上网,但是由于距离的问题,WiFi信号有强弱之分,离无线路由器稍微远点,信号就有所降低,上网速度受影响。而市场上销售的WiFi信号放大器要一两百元,有什么便宜又简便的方法能放大WiFi信号呢?

    近日,在猫扑论坛上一则用易拉罐自制WiFi信号放大器的帖子受到众多网友的追捧。一个小小的易拉罐能放大WiFi信号,真的假的?有网友在新浪微博上@好奇实验室,提出了这个疑问。口说无凭,实验为证!

    自制wifi信号放大器
     

    实验工具

    • 一个铝质易拉罐、一把剪刀、一台无线路由器、一部带WiFi信号的手机,一台有无线网络的笔记本电脑、WiFi信号检测软件(可从网上下载)。

    制作步骤

    1. 1

      取一只用过的铝制易拉罐,洗净。

      自制wifi信号放大器
    2. 2

      拔出拉环

      自制wifi信号放大器
    3. 3

      沿罐底画一圈线,沿线将罐底去除;

      自制wifi信号放大器
    4. 4

      将易拉罐剪开,在饮水口保留2cm左右不剪;

      自制wifi信号放大器
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      在未剪部分的正对面画一道竖线,沿此线将瓶身剪成两半;

      自制wifi信号放大器
    6. 6

      将瓶身展开成扇形,并倒放,将无线路由器天线插进易拉罐的饮水口。

      自制wifi信号放大器
      END

    笔记本实验:信号增强一格

    1. 1

      实验在记者家中进行。无线路由器安装在大房间,记者拿着笔记本电脑走进小房间。无线路由器与笔记本之间隔了大约15米,并且中间还有两堵墙。

    2. 2

      此时,易拉罐制作的WiFi信号放大器并没有套上,笔记本的无线信号显示4格。之后记者回到大房间,将“放大器”套在天线上。随后,记者回到小房间发现笔记本的无线信号已经升为5格。其间用时不到20秒。

      自制wifi信号放大器
      自制wifi信号放大器
    3. 3

      实验结果表明,易拉罐制作的WiFi信号放大器真的可以使笔记本电脑的无线信号增强。

      END

    手机实验:信号也增强了

    1. 1

      在实验前,记者用手机下载了一款WiFi信号检测软件,用于检测WiFi信号强度。

    2. 2

      记者将手机拿在距离无线路由器大约4米远的地方,没有套上“放大器”前,手机的信号强度为-68dBm。

    3. 3

      随后,记者将“放大器”套上,再回到同样的位置,发现手机的信号强度为-50dBm。实验结果表明,易拉罐制作的放大器同样使手机的无线信号增强了。

    转载于:https://www.cnblogs.com/bit-by-bit/p/3919479.html

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  • 身为射频工程师,工作多多少少都会涉及到功率放大器。功率放大器可以说是很多射频工程师绕不过的坎。功能、分类、性能指标、电路组成、效率提升技术、发展趋势……关于射频功率放大器,该知道的你都知道么?快来补...
    身为射频工程师,工作多多少少都会涉及到功率放大器。功率放大器可以说是很多射频工程师绕不过的坎。功能、分类、性能指标、电路组成、效率提升技术、发展趋势……关于射频功率放大器,该知道的你都知道么?快来补补课吧!

      RF PA的两个关键指标:功率和线性
      

      在RF功率放大器中,功效(PAE)定义为输出信号功率与输入信号功率之差与直流电源功耗的比值,即:
    PAE = (PRFOUT - PRFIN)/PDC = (PRFOUT - PRFIN)/(VDC*IDC)

      射频功率放大器RF PA的功能
      射频功率放大器RF PA是发射系统中的主要部分,其重要性不言而喻。在发射机的前级电路中,调制振荡电路所产生的射频信号功率很小,需要经过一系列的放大 一缓冲级、中间放大级、末级功率放大级,获得足够的射频功率以后,才能馈送到天线上辐射出去。为了获得足够大的射频输出功率,必须采用射频功率放大器。功 率放大器往往是固定设备或终端的最昂贵、最耗电、效率最低的器件。
      在调制器产生射频信号后,射频已调信号就由RFPA将它放大到足够功率,经匹配网络,再由天线发射出去。

      
      图1 发射系统框图

      放大器的功能,即将输入的内容加以放大并输出。输入和输出的内容,我们称之为“信号”,往往表示为电压或功率。对于放大器这样一个“系统”来说,它的“贡 献”就是将其所“吸收”的东西提升一定的水平,并向外界“输出”。
      这一“提升的贡献”,即为放大器存在的“意义”所在。如果放大器能够有好的性能,那么它 就可以贡献更多,这才体现出它自身的“价值”。如果放大器的初始“机制设计”存在着一定的问题,那么在开始工作或者工作了一段时间之后,不但不能再提供任 何“贡献”,反而有可能出现一些不期然的“震荡”,这种“震荡”,对于外界还是放大器自身,都是灾难性的。

      射频功率放大器RF PA的分类
      根据工作状态的不同,功率放大器分类如下:
      
      图2 功率放大器的分类

      射频功率放大器的工作频率很高,但相对频带较窄,射频功率放大器一般都采用选频网络作为负载回路。射频功率放大器可以按照电流导通角的不同,分为甲 (A)、乙(B)、丙(C)三类工作状态。甲类放大器电流的导通角为360°,适用于小信号低功率放大,乙类放大器电流的导通角等于180°,丙类放大器 电流的导通角则小于180°。
      乙类和丙类都适用于大功率工作状态,丙类工作状态的输出功率和效率是三种工作状态中最高的。射频功率放大器大多工作于丙类, 但丙类放大器的电流波形失真太大,只能用于采用调谐回路作为负载谐振功率放大。由于调谐回路具有滤波能力,回路电流与电压仍然接近于正弦波形,失真很小。
      除了以上几种按照电流导通角分类的工作状态外,还有使电子器件工作于开关状态的丁(D)类放大器和戊(E)类放大器,丁类放大器的效率高于丙类放大器。

      射频功率放大器RF PA的性能指标
      射频功率放大器RF PA的主要技术指标是输出功率与效率,如何提高输出功率和效率,是射频功率放大器设计目标的核心。通常在射频功率放大器中,可以用LC谐振回路选出基频或某次谐波,实现不失真放大。总体来说,放大器的评判大概存在着如下指标:

      增益。这是输入和输出之间比值,代表着放大器的贡献。好的放大器,都是在其“自身能力的范围内”,尽可能多的贡献出“产出”。 工作频率。这代表着放大器对不同频率信号的承载能力。 工作带宽。这决定着放大器能够在多大范围内产生“贡献”。

      对于一个窄带放大器来说,其自身设计即便没有问题,但是其贡献可能是有限的。 稳定性。每一个晶体管都存在着潜在的“不稳定区域”。放大器的“设计”需要消除这些潜在的不稳定。放大器的稳定性包括两种,潜在不稳定和绝对稳定。

      前者可 能在特定条件和环境下出现不稳定现象,后者则能够保证在任何情况下保持稳定。稳定性问题之所以重要,是因为不稳定意味着“震荡”,这时放大器不但影响自身,还会将不稳定因素输出。 最大输出功率。这个指标决定着放大器的“容量”。对于“大的系统”来说,希望他们在牺牲一定的增益的情况下能够输出更大的功率。

      效率。放大器都要消耗一定“能量”,还实现一定的“贡献”。其贡献与消耗之比,即为放大器的效率。能够贡献更多消耗更少,就是好的放大器。 线性。线性所表征的是放大器对于大量输入进行正确的反应。线性的恶化表示放大器在过量的输入的状态下将输入“畸变”或“扭曲”。好的放大器不应该表现出这 种“畸形”的性质。

      下面内容:射频功放的电路组成、稳定和效率提升方式

      射频功率放大器RF PA的电路组成
      放大器有不同类型,简化之,放大器的电路可以由以下几个部分组成:晶体管、偏置及稳定电路、输入输出匹配电路。

      1、晶体管
      晶体管有很多种,包括当前还有多种结构的晶体管被发明出来。本质上,晶体管的工作都是表现为一个受控的电流源或电压源,其工作机制是将不含内容的直流的能量转化为“有用的”输出。直流能量乃是从外界获得,晶体管加以消耗,并转化成有用的成分。一个晶体管,我们可以视之为“一个单位”。
      不同的晶体管不同的“能力”,例如其承受功率的能力有区别,这也是因为其能获取的直流能量的能力不同所致;例如其反应速度不同,这决定它能工作在多宽多高的频带上;例如其面向输入、输出端的阻抗不同,及对外的反应能力不同,这决定了给它匹配的难易程度。

      2、偏置及稳定电路
      偏置和稳定电路是两种不同的电路,但因为他们往往很难区分,且设计目标趋同,所以可以放在一起讨论。
      晶体管的工作需要在一定的偏置条件下,我们称之为静态工作点。这是晶体管立足的根本,是它自身的“定位”。每个晶体管都给自己进行了一定的定位,其定位不同将决定了它自身的工作模式,在不同的定位上也存在着不同的性能表现。
      有写定位点上起伏较小,适合于小信号工作;有些定位点上起伏较大,适合于大功率输出;有些定位点上索取较少,释放纯粹,适合于低噪声工作;有些定位点,晶体管总是在饱和和截至之间徘徊,处于开关状态。一个恰当的偏置点,是正常工作的础。
      稳定电路一定要在匹配电路之前,因为晶体管需要将稳定电路作为自身的一部分存在,再与外界接触。在外界看来,加上稳定电路的晶体管,是一个“全新的”晶体管。它做出一定的“牺牲”,获得了稳定性。稳定电路的机制能够保证晶体管顺利而稳定的运转。

      3、输入输出匹配电路
      匹配电路的目的是在选择一种接受的方式。对于那些想提供更大增益的晶体管来说,其途径是全盘的接受和输出。这意味着通过匹配电路这一个接口,不同的晶体管之间沟通更加顺畅,对于不同种的放大器类型来说,匹配电路并不是只有“全盘接受”一种设计方法。
      一些直流小、根基浅的小型管,更愿意在接受的时候做一定的阻挡,来获取更好的噪声性能,然而不能阻挡过了头,否则会影响其贡献。而对于一些巨型功率管,则需要在输出时谨小慎微,因为他们更不稳定,同时,一定的保留有助于他们发挥出更多的“不扭曲的”能量。

      射频功率放大器RF PA稳定的实现方式
      每一个晶体管都是潜在不稳定的。好的稳定电路能够和晶体管融合在一起,形成一种“可持续工作”的模式。稳定电路的实现方式可划分为两种:窄带的和宽带的。
      窄带的稳定电路是进行一定的增益消耗。这种稳定电路是通过增加一定的消耗电路和选择性电路实现的。这种电路使得晶体管只能在很小的一个频率范围内贡献。另外一种宽带的稳定是引入负反馈。这种电路可以在一个很宽的范围内工作。

      不稳定的根源是正反馈,窄带稳定思路是遏制一部分正反馈,当然,这也同时抑制了贡献。而负反馈做得好,还有产生很多额外的令人欣喜的优点。比如,负反馈可能会使晶体管免于匹配,既不需要匹配就可以与外界很好的接洽了。另外,负反馈的引入会提升晶体管的线性性能。

      射频功率放大器RF PA的效率提升技术
      晶体管的效率都有一个理论上的极限。这个极限随偏置点(静态工作点)的选择不同而不同。另外,外围电路设计得不好,也会大大降低其效率。目前工程师们对于效率提升的办法不多。这里仅讲两种:包络跟踪技术与Doherty技术。

      包络跟踪技术的实质是:将输入分离为两种:相位和包络,再由不同的放大电路来分别放大。这样,两个放大器之间可以专注的负责其各自的部分,二者配合可以达到更高的效率利用的目标。

      Doherty技术的实质是:采用两只同类的晶体管,在小输入时仅一个工作,且工作在高效状态。如果输入增大,则两个晶体管同时工作。这种方法实现的基础是二只晶体管要配合默契。一种晶体管的工作状态会直接的决定了另一支的工作效率。

      RF PA面临的测试挑战
      功率放大器是无线通信系统中非常重要的组件,但他们本身是非线性的,因而会导致频谱增生现象而干扰到邻近通道,而且可能违反法令强制规定的带外(out-of-band)放射标准。这个特性甚至会造成带内失真,使得通信系统的误码率(BER)增加、数据传输速率降低。

      在峰值平均功率比(PAPR)下,新的OFDM传输格式会有更多偶发的峰值功率,使得PA不易被分割。这将降低频谱屏蔽相符性,并扩大整个波形的EVM及增加BER。为了解决这个问题,设计工程师通常会刻意降低PA的操作功率。很可惜的,这是非常没有效率的方法,因为PA降低10%的操作功率,会损失掉90%的DC功率。

      现今大部分的RF PA皆支持多种模式、频率范围及调制模式,使得测试项目变得更多。数以千计的测试项目已不稀奇。波峰因子消减(CFR)、数字预失真(DPD)及包络跟踪(ET)等新技术的运用,有助于将PA效能及功率效率优化,但这些技术只会使得测试更加复杂,而且大幅延长设计及测试时间。增加RF PA的带宽,将导致DPD测量所需的带宽增加5倍(可能超过1 GHz),造成测试复杂性进一步升高。

      依趋势来看,为了增加效率,RF PA组件及前端模块(FEM)将更紧密整合,而单一FEM则将支持更广泛的频段及调制模式。将包络跟踪电源供应器或调制器整合入FEM,可有效地减少移动设备内部的整体空间需求。为了支持更大的操作频率范围而大量增加滤波器/双工器插槽,会使得移动设备的复杂度和测试项目的数量节节攀升。

      手机射频模块功率放大器(PA)市场情况
      手机功率放大器领域是目前手机里无法集成化的元件,手机性能、占位面积、通话质量、手机强度、电池续航能力都由功率放大器决定。

      如何集成这些不同频段和制式的功率放大器是业界一直在研究的重要课题。目前有两种方案:一种是融合架构,将不同频率的射频功率放大器PA集成;另一种架构则是沿信号链路的集成,即将PA与双工器集成。两种方案各有优缺点,适用于不同的手机。融合架构,PA的集成度高,对于3个以上频带巨有明显的尺寸优势,5-7个频带时还巨有明显的成本优势。

      缺点是虽然PA集成了,但是双工器仍是相当复杂,并且PA集成时有开关损耗,性能会受影响。而对于后一种架构,性能更好,功放与双功器集成可以提升电流特性,大约可以节省几十毫安电流,相当于延长15%的通话时间。所以,业内人士的建议是,大于6个频段时(不算 2G,指3G和4G)采用融合架构,而小于四个频段时采用PA与双工器集成的方案PAD。
      文章来源:RFsister
     
     

    文件到原文下载,原文出自:https://bbs.usoftchina.com/thread-209194-1-1.html

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  • 运算放大器的选择

    千次阅读 2008-02-27 22:37:00
    运算放大器的选择 技术分类: 模拟设计 |
     
    

    运算放大器的选择

    技术分类: 模拟设计  | 2008-01-07
    作者:Paul Rako,EDN技术编辑

      选择运放与这些器件的规格一样复杂。通过了解运放的基础知识,了解自己的应用要求,并使用独立工具和在线工具,就可以做出正确的选择。
      要 点
      一只放大器的所有五只管脚都有重要规格。
      应用通常驱动选择过程。
      了解数据资料的各个部分,能更好地选择部件。
      半导体工艺影响着放大器的规格。
      在线工具与选择指南可以帮助你找到正确的器件。
      考虑使用专门的放大器。

      你可能认为选择运放是件再简单不过的事。毕竟,所有运放都只有三个重要管脚:两个输入和一个输出。但是,在设计一款普通运放时,还必须考虑到另外两个电源脚,全部五个管脚组成了令人困惑的规格阵列。事实上,放大器设计与选择可能是最让模拟系统工程师生畏的任务。

    图1一只运放只有五个管脚但每个管脚却各有规格


      在选择放大器时,必须确定该器件运行的最大电压和最小电压、静态电流、运放要为负载提供的电流,以及它使用的所有其它电流。例如,你可 能将两个电源脚设定为用分离电源的双极运行,或者将负电源端接地,作单端运行(图 1)。尽管任何放大器都可以接成双极或单端电路,但通常有一些其它因素会使器件更适合单端工作。另外,输入脚几乎总是包含了输入范围内的接地,或者提供满 摆幅输入,此时输入脚可以

     
    工作到电源两个极值上。还有一些事情也使设计复杂化,如运放数据资料一般都表示单端工作的规格,尽管测试工程师有可能修改器件的工作条件,并重新描述规格以反映双极工作状况。

       输出电流是一项重要规格。即使在输出脚低于两个电压线路 0.6V 情况下,满摆幅输出的器件也能提供可用的驱动电流。与双极输出的器件相比,采用 FET 输出的器件摆幅可以更接近两个电压线路。例如,Intersil 的 30mA EL5020在 5 mA 时,可以在两个线路之间 15 mV 的范围内摆动。为保证精确和低失真的性能,还必须了解输出脚阻抗,这个阻抗会随频率而变化。另外,输出脚必须驱动某种电平的容性负载。有些器件要驱动无限 制的容性负载,如美国国家半导体公司的 LM8272,而普通的视频放大器在数十个皮法的负载电容时就会振荡。

      Analog Devices 公司的应用工程总监 Dave Kress 认为,放大器选择有五个关键要素(图 2):带宽、电源、一个封装中多只器件的要求、应用和成本。另一方面,德州仪器公司 Burr-Brown 部的线性应用经理 Tim Green 则将这些因素缩减为三点:电压、电流和带宽。

    图2有很多方式查看选择运放时的权衡折衷


      不过,美国国家半导体公司的一名应用工程师 Paul Grohe 更多地考虑放大器的内部。他说:“偏置电流与带宽这两个 B 是关键。一个快速器件会消耗较多电流,而一个低噪声器件也会消耗较多电流。并且,如果你使用一个高的源阻抗,输入偏置电流就是最重要的规格。”

       美国国家半导体公司资深科学家 Bob Pease 指出,如果供应商不能及时提供器件,规格就没什么作用。他还说,噪声经常被忽视,但绝对是个极其关键的参数。他说:“不存在简单的答案,你必须自己作判 断。每种应用都有一到两个主要参数,你必须找出它们。你不可能拥有一切。”

      Tim Regan 是 Linear Technology 的信号调节单元应用经理,他使用缩略词 SNAP(供电电压与电流/交流或直流性能需要/放大器数量/封装)帮助工程师记忆这些重要的折衷关系。Maxim 的运放与比较器商务营销经理 Patrick Long 也提到,封装是一个重要条件。例如,假设器件的目标应用是手机,你会希望用倒装或焊球封装。这些超小型封装可在一个硅片大小的电路板空间上提供高性能的模 拟功能。

      理解运放选择范围的一种方法是看数据单的结构。第一页是一个很有价值的工具,它给出了主要特性和目标应用。如果忽略那些营销 术语(如“慢”和“快”),而寻找实际的速度图,就可以快速确定该放大器是否在自己应用的适用范围内。第一页可能说明了制造商用于制作该运放的工艺(见附 文1“运算放大器工艺”)。

      在运放数据资料中,紧跟第一页的一般是有关最大绝对额定值的部分。这部分通常包括器件将承受的最高电压和温度。显然,这一部分的重要位置表明这些参数在选择中的重要性,因为它们是绝对的最大值。任何时刻器件都不能超过这些极限值。

       数据资料中还有一些关于直流特性与交流特性及工作电压的表格。表格清楚地表明了在设计者建立表格时,器件可以运行的工作电压。第一页可能称器件能工作在 低至 2.7V 电压下,而表格中可能表示器件可以运行在 3V。虽然将一只 3V 器件运行在 2.7V 是可以接受的,但却不能使用 3V 下数据单表格中的规格值。你可以向制造商询问在较低电压下的器件特性,或者必须自己测试。表中的值都是制造商必须满足的契约责任。
    数据资料中,表格后面是图表页。虽然这些图表并不表示一种法律责任,但它们很重要。例如,表格中可能表示一个很大的 PSRR(电源抑制比),而图表却显示这个规格会随频率的增加而显著下降。如果一只放大器正用于一个有 1MHz 输出纹波的 1MHz 转换开关,则必须用相应图表对 1MHz 下的 PSRR 作出评估,并且要记住设计者创建图表时是在某个工作电压下,这种电压下可能得到比你的电路更好的结果。同样,表中的电压噪声是基于较高频率上的平坦噪声。 对于直流或低频应用,必须查询图表,以确定你电路中频率对应的噪声(图 3)。

    图3数据资料中的表格往往提供的是夸大的性能数据资料中表格列出的直流PSRR一般没有问题数据资料图表显示PSRR在高频时有显著下降同样表中列出的输入电压噪声是较高频率的平坦噪声


      检查所有图表,仔细考虑测量数据的工程师告诉你的内容。通常,半导体公司的工程师会有一张图表,强调了放大器不太平坦的规格。如果图表显示一只放大器在 10 pF 输出电容时有 90% 的过冲,则可以认为该器件不稳定。

      在一份典型的数据资料上,图表后面就是一般说明和应用部分。在这个部分,可以了解到该放大器的合适应用,以及所有特异或特别的功能。应用部分可能会提出警告,如果输出过驱动,器件可能会烧掉。在有些老器件上,应用部分可能警告说器件会出现倒相情况,即当输入脚超过其共模范围时,放大器的输出会突然逆向,哪怕输入并没有越过零点。

      数据资料的最后,一般是器件号或后缀部分,但有些制造商(如 TI)将这一信息放在首

     
    页。每一种封装和额定电压的器件都有自己的器件号。制造商亦可能标 注出包含无铅 RoHS(限制有害物质)器件的号码。采用编带或 4000 只一盘的器件,其器件号也不一样。如果由于使用了一个不完整的器件号,导致用一个与预期不同的封装进行电路板布局,那会是很麻烦的事情。这类错误会付出延 迟数周或数月开发周期的代价。

      数据资料的最后一部分通常是封装,它包括图形以及建议的 PCB (印制电路板)形式。如果你的 PCB 高度低,则封装的总体高度就是必须满足的关键性能规格。

      在线工具

       不要不好意思咨询本地的现场应用工程师或工厂应用小组。Analog Devices 与德州仪器公司几乎销售各种类型的运放,因此他们没有理由说服你使用某种器件。这里有个特例,即制造商通常愿意推销自己的最新器件,希望以此收回设计费 用。因此,美国国家半导体公司的 Grohe 喜欢用选择指南。他说:“参数化搜索会返回满足所需规格的全部器件,无论该器件是昨天设计的还是 20 年前设计的。”Grohe 开发了一个可下载的选择指南,你可以从该公司的放大器网页获得。德州仪器、Analog Devices、意法半导体,以及其它公司亦提供在线的选择指南。

      Linear Technology 公司开发了另一种全功能、可下载的免费工具 LT SPICE,由 Mike Engelhardt 设计。他保证该程序的集中性,甚至包括磁性元件。德州仪器公司亦提供可下载、有节点限制的全功能 Tiny TI SPICE 程序,将其用于精确模型能提供准确的结果。Analog Devices 的网站上也有一个可下载的仿真器,以及 ADIsim 运放评估工具。该程序可用 National Instruments 的 LabView 引擎做简单仿真。当你选择了某款器件后,只要有现存的器件模型,工具就会转换为使用 National Instruments 的 MultiSIM 全 SPICE 引擎。除了 SPICE 工具以外,Analog Devices、美国国家半导体和德州仪器公司都提供网页工具,帮助设计仪表放大器,或一个单端放大器的正确偏置,以及大批的其它应用。

      对于滤波器链的设计,德州仪器公司推出了自己的 FilterPro 软件。这种可下载的软件能完成数学计算,给出多极滤波器的响应。美国国家半导体公司为滤波器设计提供在线的 Webench 环境。它在线运行 SPICE 仿真,给出器件的响应。

      运放的选择可以是让人望而生畏的事。除了普通的电压反馈放大器以外,还有很多专用放大器(见附文2“专用运算放大器”)。 你可能需要阅读相关的贸易杂志与书籍,然后才能理解有关放大器选择的全部微妙之处。应用工程师可以在很大程度上帮助你了解自己应该寻找的正确规格与放大器 类型。一旦你了解了这些情况,就可以使用各种可下载的选择向导与在线向导。然后可以在线仿真自己的电路,或通过下载的工具作仿真,还可以用供应商提供的 SPICE 模型,在 Orcad、Altium、PADS 或 Electronics Workbench 中仿真自己的电路。


      附文1:运算放大器工艺

      有些放大器制造商认为,你应该仅凭规格来对一只器件作出判断,而不用担心制造它的工艺。虽然这种观点有其正确性,但几乎每个 IC 设计者和应用工程师都必须考虑半导体工艺以及规格。这样有助于他们对这些器件作广泛的分类,以及作出有关规格的某种假设。
    制造商最初使用的工艺是双极工艺,它使用普通晶体管,而不是 FET(场效应管)或 MOSFET(金属氧化物半导体 FET)。使用双极工艺意味着该器件可以工作在较高电压下,一般速度也更快。双极晶体管有较高的跨导,便于设计。如果使用一种隔离工艺,则设计的器件可以 工作在高得多的频率下,因为内部杂散电容通常只有传统工艺的十分之一。这种类型的工艺一般采用介电质隔离法,即各个晶体管都处于自己的玻璃隔离皿中。有些 工艺只是沟道隔离,即晶体管的侧面用玻璃隔离,但底部则采用普通双极工艺作结点隔离。沟道隔离器件的速度好于那些单纯的双极器件,但比不上完全介电质隔离 器件。这种方法亦可以避免闩锁效应,即基材构成一个寄生 SCR(可控硅整流器)。由于器件不会闩锁,就可以超出共模范围,并且在给器件加电前输入端就可以有电压。与所有模拟产品一样,介电质隔离也有一个缺点, 甚至超出了较高的成本。所有晶体管周围玻璃壁的导热能力都要比结点隔离方法低 10 倍。因此,设计者对高输出电流放大的应用较少采用介电质隔离。

      另外一种广泛使用的放大器工艺类别是 CMOS(互补金属氧化物半导体)。CMOS 器件价格较低,因为它们的制造工艺步骤较少。CMOS 器件通常也有低的工作电流。CMOS 的最佳特性之一是它的输入脚只需要极少的输入偏置电流。例如,德州仪器公
     
    司的 CMOS OPA2355 的输入偏流为 0.05 nA,仅次于 JFET(结型 FET)输入器件。CMOS 器件一般是 5V 供电,虽然也有一些 12V CMOS 工艺。由于早期 CMOS 器件利用了 CMOS 低工作电流的优势,因此这些器件表现为电压噪声,它不是 CMOS 固有的特性,而是设计中采用低偏流以及在输入段使用小晶体管的结果。例如,美国国家半导体公司用 CMOS 制造的 LMV751,由于设计者采用大的输入晶体管,并且输入差分晶体管对有较高的静态电流,因此 LMV751 有低的电压噪声。另外一种 BIMOS(双极 MOS)工艺则同时包含了双极和 CMOS 晶体管。

      还有一种不太常见但仍然有用的双极 JFET 工艺,它增加了掩膜步骤以创建 JFET。与 CMOS 晶体管类似,JFET 有低的输入偏流。较老的 JFET 器件(如美国国家半导体公司的 LF411 和 Analog Devices 公司的 AD549)在 CMOS 器件流行前就能提供低的偏流。德州仪器公司提供的现代 JFET 器件有低偏流,但速度仍很快。例如,TI 的 OPA656 带宽为 500 MHz。JFET 的输入电压噪声亦低于 CMOS,因为晶圆基材中的扩散掩盖了 JFET。与之相比,CMOS 晶体管位于裸芯的表面,这里它们受制于栅格缺陷和晶体杂质,这些都会产生噪声。同样,这种方案也包含一种均衡:用制造中的扩散控制 JFET 的参数。CMOS 晶体管的特性主要依赖于制造中的光刻。因此,CMOS 器件能做到更好的输入对匹配,降低了偏置电压,并减少了漂移。

       当某个应用要求的速度超过双极器件可以提供的极限时,设计者可以转向 SiGe(硅锗)工艺。这些工艺在基极区有较高的电子迁移率、更薄的基极区,以及较高的射频电流密度,从而使运放带宽超过 1 GHz。这些器件消耗较多电流,并与所有其它的高速器件一样有稳定性问题。SiGe 工艺正被用于高速 ADC 与高速通信放大器中的差分输入放大器。

       其它工艺包括 GaAs(砷化镓)和 SOS(蓝宝石硅)。GaAs 工艺速度很快,并且有比 SiGe 更高的电子迁移率和更薄的基极区。GaAs 的缺点与硅不同,它使用了不容易形成的隔离氧化物。硅氧化物是玻璃,可以隔离不同的金属化层。GaAs 没有这种工艺特性,它追随硅工艺,但能制造工作在 10 GHz 以上的器件。当然价格和工作电流也较高。在 SOS 工艺技术中,介质隔离的晶体管速度快,与氧化物隔离绝缘的工艺一样。但由于晶体管之间隔离采用蓝宝石而不是玻璃,蓝宝石是水晶的导热率,与之相比,玻璃的 导热率较低。因此,SOS 器件速度快,提供大量的功率输出。制造商可以用掩膜少于双极工艺的 CMOS 工艺流程进行制造。
      附文2:专用运算放大器

       设计者通常会说,他们对运放的选择原则是使用主流放大器。现在有一些专用类型的放大器。最常见的是电流反馈放大器,它用于需要高转换速率的视频与 DSL(数字用户线)应用(图 A)。其它的独特好处是高增益不会减小带宽。如果一款放大器可以提供与较高带宽元件相同的增益,则它的失真也较低。因此,电流反馈放大器适用于需要高速和 低失真的应用。

    图A最常见的是电流反馈放大器它用于需要高转换速率的视频与DSL应用


      还有一种专用放大器是混合放大器,它内部使用分立晶体管或拥有多级放大器,即一种信号用多个放大器,而不是采用多个封装。例 如,Cirrus Logic 的 CS3001 系列有 1 万亿(或 300 dB)的开环增益,这是其信号链中有一个以上放大器的确切标志。相位响应表明,这款器件是一种混合放大器,适用于仪器应用。巨大增益意味着低失真。
    另一种形式的混合放大器是斩波放大器,或自动调零放大器。这些放大器也叫做自动归零放大器,它有一个不断校正偏移电压的第二个放大器。这种功能适用于直流 仪器中使用的器件,特别是偏移校正可以消除低频噪声。缺点是这些器件速度慢,而它们的斩波频率一般在 100Hz~35kHz范围内,会对输出造成干扰。这个频率远远超出预期的有用频率,要用后面的滤波器级将其过滤掉。一个值得注意的例外是美国国家半导体 公司的 LMP2011,它拥有与斩波放大器相应的微伏级偏移,而仍有 3 MHz 的带宽。该器件亦提供比其它斩波放大器更好的瞬态响应与转换速率。

      差分输出放大器提供一个音频信号路径,它不受接地回路或缓冲差分输入 ADC 的影响。差分输出音频放大器工作在千赫兹范围,而 ADC 缓冲则工作在千兆赫兹范围。

       仪表放大器通常是有三个放大器的混合式放大器,这样输入可以工作在大的共模范围内。当你改变一只普通放大器正引脚的电压时,输出电压会跟随输入电压变 化,同时输入脚之间的差值使输出端超出该电平。另一方面,仪表放大器有基准脚,它将输出基准设定在所需的电压,一般为地。这一特性使它们能用于测量 Whe
     
    atstone 桥传感器,如压力规,也可以用于测量高侧电流。它的缺点是速度低和成本高。仪表放大器的通常目标用途是直流信号。有些具有5Hz ~ 0.5MHz的带宽(根据增益),如德州仪器公司 Burr-Brown 部的 PGA206。这些器件有数字可编程的增益,并采用 JFET(结型场效应晶体管)输入级,提供低噪声和高速度。

      其它专用放大器已不太流行,但对那些了解如何使用的模拟专家来说,它们仍 然是有用的。互导放大器(如美国国家半导体公司的 LM13700)有可变增益。它们将控制脚上的输入电流乘以放大器输入脚上的电压。数据资料值得一读的原因只是因为它覆盖了繁多应用(参考文献 A)。该公司的 LM3900 Norton 放大器已经过时,但 LM359 仍在生产。这些放大器采用 Norton 的电流定律,它作用于进入电源镜像的一个电流差,与几乎所有其它放大器所采用的输入差分对相反。该器件很少见,但能为分析与理解提供一种有趣的练习(参考 文献 B)。On Semiconductor 公司的 MC33304 电源自适应放大器也已过时,但仍令人感兴趣,因为无论何时其输出电流超过用户选择的阈值时,它的静态电流与频率响应都会增加。

    参考文献
    A.  "LM13700—Dual Operational Transconductance Amplifier with Linearizing Diodes and Buffers," National Semiconductor, 2007.
    B.  "LM359 Dual, High Speed, Programmable, Current Mode (Norton) Amplifiers," National Semiconductor, August 2000.

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