本文說明如何補償一個增益為9倍以上時通常保持穩(wěn)定的放大器（如 ADA4895-2），以使其在增益低至2時工作，提供比等效內(nèi)部補償放大器更高的壓擺率和更快的建立時間。本文將提出兩種方法并突出每種電路的優(yōu)缺點。

ADA4895-2與ADA4896-2、ADA4897-1和ADA4897-2同屬一個系列，是一款雙通道、低噪聲、高速、電壓反饋、軌到軌輸出型放大器。它在增益為10時可保持穩(wěn)定，增益帶寬積為1.5 GHz，壓擺率為940 V/µs，0.1%建立時間為26 ns，10 Hz時1/f噪聲為2 nV/√Hz，寬帶噪聲為1 nV/√Hz，2 MHz時無雜散動態(tài)范圍為−72 dBc。這款器件采用3 V至10 V電源供電，每個放大器的靜態(tài)功耗為3 µA。

圖1. 方法1：補償ADA4895-2實現(xiàn)增益為+2時保持穩(wěn)定

方法1如圖1所示，在反相輸入端增加一個簡單的RC電路（R_C = 28 Ω 且 C_C = 56 pF），且反饋電阻并聯(lián)一個反饋電容(C_F = 5 pF)。該電路在高頻時的噪聲增益為+9，在諧振頻率(1/2πR_CC_C = 100 MHz)以下的頻率時噪聲增益為+2。雖然高頻時的噪聲增益接近+9，但只要由R_O 和 C_L構(gòu)成的低通濾波器能夠阻隔高頻成分，總輸出噪聲就能保持在低水平。這種情況下，放大器可以在增益為+2時工作，而總輸出噪聲則非常低(3.9 nV/√Hz)。

可以擴展這種配置以支持+2到+9之間的任何增益。表1顯示了各種增益設(shè)置的元件值和總寬帶輸出噪聲。

表1. 用于增益低于+10的元件值，R_T = R_O = 49.9 Ω

增益

R_C (Ω)

C_C (pF)

R_G (Ω)

R_F (Ω)

C_L (pF)

總輸出噪聲¹ (nV/√Hz)

+2

28.6

56

200

200

330

3.88

+3

33.3

56

100

200

270

5.24

+4

40

56

66.7

200

200

6.60

+5

50

56

50

200

150

7.96

+6

66.7

40

40

200

150

9.32

+7

113

30

37.5

226

120

10.82

+8

225

20

32.1

226

120

12.18

+9

N/A

N/A

31.1

249

100

13.67

¹完整的總噪聲公式見下文。

圖2. 方法2：補償ADA4895-2實現(xiàn)增益為+2時保持穩(wěn)定

方法2如圖2所示，在反相輸入端與同相輸入端之間增加一個電阻(R₁ = 28 Ω)，將放大器的噪聲增益提高到+9。R₁上無電壓，因而無電流通過其中。因此，R₁與同相輸入端并聯(lián)所得的輸入阻抗仍然非常高。輸入至輸出信號增益等于1 + R_F/R_G，本例中即為+2。補償電路未使用電容，因而不存在頻率依賴性。這意味著，與第一種方法相比，低頻時的寬帶輸出噪聲始終較高。

可以擴展這種配置以支持+2到+9之間的任何增益。表2顯示了各種增益設(shè)置的元件值和總寬帶輸出噪聲。

表2. 用于增益低于+10的元件值，R_T = R_O = 49.9 Ω, C_L = 120 pF

增益

R₁ (Ω)

R_G (Ω)

R_F (Ω)

總輸出噪聲¹ (nV/√Hz)

+2

28.6

200

200

13.39

+3

33.3

100

200

13.39

+4

40

66.5

200

13.39

+5

49.9

49.9

200

13.39

+6

66.5

40

200

13.39

+7

113

37.4

226

13.53

+8

225

32.4

226

13.53

+9

N/A

30.9

249

13.67

¹完整的總噪聲公式見下文。

圖3顯示了圖1和圖2所示電路的小信號和大信號頻率響應(yīng)，采用50 Ω分析儀，G = +5 V/V或14 dB。如圖所示，兩個電路均非常穩(wěn)定，峰化略高于1 dB。只要使用表1和表2中的值，增益范圍在+2至+9時均可保持穩(wěn)定。

為降低總輸出噪聲，可以調(diào)整輸出端的低通RC濾波器以將此電路的帶寬降至50 MHz或更低，具體取決于應(yīng)用。

圖3. G = +5時的頻率響應(yīng)

為什么方法1中的輸出噪聲優(yōu)于方法2中的輸出噪聲？
方法1中的輸出噪聲遠低于方法2，尤其是在增益低于+7時，這是因為方法1中的噪聲增益僅在高頻時較高。高頻時，可以利用低通濾波器來消除高頻噪聲成分。但在方法2中，放大器始終在噪聲增益為+9時工作，即便在低頻時亦如此。因此，總輸出噪聲不隨增益而變化，如表2所示。下面是這兩種方法對應(yīng)的公式（注意：R_E = R_G//R₁）。

方法1的公式：總輸出噪聲=

方法2的公式：總輸出噪聲=

每種方法的優(yōu)缺點
我們給出了兩種不同的方法，說明如何利用若干外部元件來使高增益穩(wěn)定型放大器能在低增益下穩(wěn)定地工作。與方法2相比，方法1采用了更多的無源元件，因而可能會占用更多的電路板空間，成本更高。作為回報，第一種電路的總輸出噪聲低于第二種電路。因此，選擇何種電路取決于具體應(yīng)用及其要求的規(guī)格。

如圖4所示，與增益大于等于+1時保持穩(wěn)定的內(nèi)部補償放大器ADA4897-2相比，去補償?shù)腁DA4895-2提供更高的壓擺率（300 V/µs對100 V/µs）和更快的建立時間。隨著電路增益提高，這些優(yōu)勢還會擴大。

圖4. G = +2時對比補償與去補償放大器

結(jié)論
ADA4895-2去補償放大器在增益大于9時保持穩(wěn)定，可以通過補償來實現(xiàn)低增益工作。本文提出的兩種方法通過提高復(fù)雜度來降低總寬帶噪聲。與增益大于等于+1時保持穩(wěn)定的內(nèi)部補償放大器ADA4897-2相比，兩種方法均能提供更高的壓擺率和更快的建立時間。

作者簡介

Charly El-Khoury [charly.el-khoury@analog.com] 高速放大器部門的應(yīng)用工程師。他于2006年畢業(yè)于伍斯特理工學(xué)院(WPI)，獲得電氣與計算機工程(ECE)碩士學(xué)位，之后加入ADI公司。