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模拟集成电路入门30问之29

已有 124 次阅读2021-6-4 16:23 |系统分类:芯片设计| 模拟集成电路, 输出缓冲器

29. 如何理解模拟集成电路模块系列之十三:输出缓冲器?

    大家好!今天我将讲解一下整个信号处理通道中的最后一个功能模块:输出缓冲器。之所以说它是信号处理通道的最后一个功能模块,主要是因为它一般在整个通道的最后一级,因为它的作用属于是输出具有一定驱动能力的信号,同时完成阻抗匹配的功能。一般来说,我们在不同模拟集成电路之间默认采用的是100欧姆的阻抗匹配网络,这样可以使得整个系统的带宽达到一个比较高的水平。同时由于有时候不同模拟集成电路之间的铜线距离不一定较短,有的可能达到英寸级,这时候就需要输出缓冲器具有较大的驱动能力来使得信号在铜线上衰减以后仍然能够驱动后一级的输入。

为了能更好的对输出缓冲器进行讲解,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,输出缓冲器分为偏置电路、输入级、输出级三个部分;其中偏置电路是为输入级、输出级提供工作点,它主要决定输出缓冲器的工作电流和基本器件的截止频率;输入级是输出缓冲器的第一级电压放大级,它的输入信号为差分电压信号,同时其输入共模电平和前级模块的输出信号匹配;输出级主要功能是提供差分100欧姆的输出负载,并提供足够的驱动能力以推动后级模块的负载,特别是容性负载。

输出缓冲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、最大输入电压,工作电压一般表现出输出缓冲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;工作电流决定了输出缓冲器电路在恒定电压下的功耗,对于输出缓冲器而言,工作电流的变化主要受工艺偏差的影响,当输出缓冲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,但是在评估输出缓冲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;最大输入电压是指输出缓冲器能够线性放大的最大输入信号,因为如果输入信号电压幅度太大,而由于输出缓冲器的增益一定,输出幅度会超过输出缓冲器的最大输出能力,从而使得输出缓冲器进入到非线性放大区,这样使得输出缓冲器工作失效。

第二个类型,输出特性是输出幅度、输出负载误差、上升/下降时间、温度系数。输出幅度是输出缓冲器的主要性能,它是放大器能够输出的最大电压幅度,一般这个值必须在输出缓冲器的最大输入电压范围内,不然会导致输出缓冲器进行非线性放大区,从而工作实效;输出负载误差是指输出缓冲器的输出负载变化的范围,一般变化比例需要小于正负10%,这个指标主要是评估输出缓冲器和下一个模拟集成电路的阻抗匹配度;上升/下降时间时在输出缓冲器正常工作时对随机信号放大输出后的瞬态特性,它间接反应了输出缓冲器的高频特性,同时也决定了放大器输出眼图的质量;温度系数是在输出缓冲器在温度每升高1时电压增益变化的百分比。

第三个类型,交流特性是高频截止频率、增益、等效输入噪声,高频截止频率是输出缓冲器的重要指标,它决定了输出缓冲器能够处理的最高速率信号,这决定了放大器能应用的速率场景数量;增益也是输出缓冲器环路的重要指标,它决定了输出缓冲器能处理的最大输入信号的大小;等效输入噪声是输出缓冲器的关键指标,它决定了输出缓冲器可以处理的最小输入电压信号的大小。

最后一个类型,极限特性是:最大工作电压、工作温度范围。这个最大工作电压和输入电压范围的区别在于,在最大工作电压下可能输出缓冲器电路工作不正常了,但在输入电压范围的最大值时,输出缓冲器电路必须是正常工作的。工作温度范围是指PN结温下的范围,它和输出缓冲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输出缓冲器的温度范围宽。

好,总结一下,这一讲我从三个电路部分,偏置电路、输入级、输出级和十二个性能参数,工作电压、工作电流、最大输入电压、输出幅度、输出负载误差、上升/下降时间、温度系数、高频截止频率、增益、等效输入噪声、最大工作电压、工作温度范围,对输出缓冲器电路进行了分析,希望对大家有所帮助!

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