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日志

模拟集成电路入门30问之27

已有 137 次阅读2021-5-21 11:02 |系统分类:芯片设计| 模拟集成电路, 跨阻放大器

27. 如何理解模拟集成电路模块系列之十一:跨阻放大器?

大家好!今天我将开始讲解高速放大器功能模块,这一讲我将先讲其中的一种:跨阻放大器。其实在高速放大器中,主要有四种类型:跨阻放大器、跨导放大器、电压放大器、电流放大器。可以看出,跨阻放大器只是其中的一种,而且这种放大器主要用于对电流型器件的信号进行处理从而输出电压的应用。最广泛的应用是在光通信中,接收机的前端电路,它是光器件——光电二级管的负载,通过对光电二极管的光电电流进行跨阻放大,得到有一定输出幅度的电压,从而为后面的电压放大器进行线性放大做准备。可以说在光通信领域,跨阻放大器模块的某些性能决定了整个接收机的系统性能,这个我会在后面的内容中讲到。总之一句话,跨阻放大器模块是光通信接收机中一个非常重要的前端模块。

为了能更好的对跨阻放大器进行讲解,我从电路结构和性能参数两个方面对其进行分析;从电路结构方面看,跨阻放大器分为偏置电路、三级反相放大器、有源电感、反馈网络、补偿电路、增益控制电路六个部分;其中偏置电路是为增益控制电路提供增益控制的工作点,它主要决定增益控制的启动点和增益与电流的关系曲线斜率;三级反相放大器是跨阻放大器信号开环中的核心工作单元,反相放大器器的个数为三个,这样当放大器的相移为180°是可以在环路上形成负反馈;有源电感是作为补充电路和三级反相放大器进行配合,提高三级反相放大器的整体高频特性,提高电路带宽;反馈网络一般由电阻组成,当然为了能在跨阻放大器的传输函数中增加零点,有时候会在电阻中间并联电容,这样可以调节传输函数曲线在高频时的形态,当然这样做是以牺牲环路稳定性为代价的,所以在设计仿真时必须非常小心;补偿电路是在整个三级反向放大器和反馈网络组成的环路上进行相位补偿,从而增加整个环路的稳定性,因为这个环路结构和我们上一讲的振荡器有些相似,所以如果在有些频点上环路的相移不是180°而是360°,则形成的反馈就是正反馈,从而形成振荡,那么整个跨阻放大器就无法正常工作了;增益控制电路则是当第二、三、四、五部分组成的电路在输入电流大于偏置电路设定的启动点时开始工作,降低环路的跨阻增益,达到稳定环路输出电压在一个合理的线性范围。

跨阻放大器的性能参数也和其他功能模块一样,有四个类型:输入特性、输出特性、交流特性、极限特性;第一类型,输入特性是工作电压、工作电流、最大输入电流,工作电压一般表现出跨阻放大器电路对工作环境的适应程度,如果工作电压范围广,则适应性强;如果工作电压范围窄,则工作条件比较苛刻;工作电流决定了跨阻放大器电路在恒定电压下的功耗,对于跨阻放大器而言,工作电流的变化主要受工艺偏差的影响,当反相放大器的器件处于大信号工作模式,电流变化也是周期性的,所以一般会采用平均工作电流来进行评估,但是在评估跨阻放大器需要供电模块的输出功率时,就需要采用最大工作电流这个指标;最大输入电流是指跨阻放大器能够线性放大的最大输入信号,因为这个值如果太大,而由于跨阻放大器的最小增益一定的话,输出幅度会超过跨阻放大器的最大输出能力,从而使得跨阻放大器进入到非线性放大区,这样使得跨阻放大器工作失效。

第二个类型,输出特性是传输延时、上升/下降时间、温度系数、增益控制范围。传输延时是指的跨阻放大器中反相器的延时,它在连续模式下不是一个重要的性能指标,但是在突发模式下由于给跨阻放大器反应的时间比较有限,所以这时传输延时必须考虑;上升/下降时间时在跨阻放大器正常工作时对随机信号放大输出后的瞬态特性,它间接反应了跨阻放大器的高频特性,同时也决定了放大器输出眼图的质量;温度系数是在跨阻放大器在温度每升高1时跨阻增益变化的百分比;增益控制范围是指在输入电流信号小于最大输入电流的条件下,跨阻放大器增益的变化范围增益控制范围,一般来说范围越大越好,但是范围越大则会使得增益控制电路越复杂,从而牺牲版图面积和设计时间。

第三个类型,交流特性是高/低频截止频率、开环增益和相位裕度、闭环增益、等效输入噪声,高/低频截止频率是跨阻放大器的重要指标,它决定了跨阻放大器能够处理的最高速率信号和最低速率信号,这决定了放大器能应用的速率场景数量,当然这是在忽视灵敏度这个系统指标下;开环增益和相位裕度是跨阻放大器环路的重要指标,它决定了跨阻放大器的等效输入阻抗,从而间接决定了高频截止频率;闭环增益也是是跨阻放大器的一个重要指标,它表现出跨阻放大器能够处理的最小电流信号;等效输入噪声是跨阻放大器的关键指标,它决定了跨阻放大器可以解决多长距离的光纤信号,有些能处理40公里,有些能处理80公里,那边可以明显看到能处理80公里的跨阻放大器更让客户喜欢,这样就需要有足够低的等效输入噪声。

最后一个类型,极限特性是:工作温度范围。工作温度范围是指PN结温下的范围,它和跨阻放大器的温度范围有些许区别,一般来说,极限特性下工作温度范围会比跨阻放大器的温度范围宽。

好,总结一下,这一讲我从六个电路部分,偏置电路、三级反相放大器、有源电感、反馈网络、补偿电路、增益控制电路和十二个性能参数,工作电压、工作电流、最大输入电流、传输延时、上升/下降时间、温度系数、增益控制范围、高/低频截止频率、开环增益和相位裕度、闭环增益、等效输入噪声、工作温度范围,对跨阻放大器电路进行了分析,希望对大家有所帮助!

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