編者按:這篇文章凝結了Michael Steffes的心血和汗水,他將長期積累的豐富運算放大器知識和經驗慷慨地公之於眾,為業內人士提供了無私的幫助。這個系列部落格文章技術性強、資訊豐富,絕對是適合各級設計人員的精彩教程。本文編者從事電路設計長達40年,以前經常從EDN和EE Times出版的雜誌上剪貼有用的資料,為設計之路儲備知識,而其當年孜孜以求的正是這樣的文章。希望你也能喜歡這篇充滿經驗和智慧的文章,它將幫助你強化知識,在工作中激發你的想像力和創造力。

幾年前,EDN上發佈了一篇出色的部落格文章,探討低速電壓回饋放大器(VFA)的一些常見問題和疑問。由於這些問題先是在TI E2E論壇上討論,且有些問題也適用於高速運算放大器,因此就被放到「TI高速E2E論壇」。雖然一些高速運算放大器的問題已經得到解決,但本文旨在對高速運算放大器所帶來的獨特問題進行更深入廣泛的討論。

筆者的同事Bruce Trump在慢速VFA型運算放大器方面的工作非常出色,他曾簡明扼要地探討了許多相關的問題。在高速方面,VFA、電流回饋放大器(CFA)和全差分放大器(FDA)則各有各的一系列問題。一般來說,大多數供應商將大於50MHz頻寬的元件劃歸為高速產品。這篇文章依據Trump關於VFA設計的原始部落格,但在最相關的話題方面增加了一些對CFA和FDA的獨到思考。該系列的首篇文章探討了I/O範圍問題,並且包含了對整個產業都行之有效的參數表。為了獲得部分重疊,頻寬低至20MHz的VFA也將包含在這些表中。

你可能會問:Michael Steffes到底是誰?在IBM和StorageTek從事了8年的類比IC設計之後,筆者結束了高速類比IC設計生涯,(略微)促成了首批整合式CFA運算放大器之一CLC400(基本上是一款混合CLC231的IC型號)的設計。從那以後的30年裡,我陸續為5個供應商工作,橫跨產品應用、銷售和業務管理部門,但始終專注於高速放大器的開發、推出和design-in工具。在此期間,我參與了70多款高速放大器的產品發佈,發表了100多篇應用筆記和投稿文章。我的產品開發工作始終圍繞元件定義、規範可行專案和限值、性曲線、應用文本、巨集建模和design-in支援等方面。和Trump一樣,我也有幸與一些頂尖類比IC設計師密切合作,我們之間基本可以無拘無束地討論任何放大器問題。最好的問題都來自客戶——有時我們不得不請那些坐在隔壁的IC設計人員過來幫忙。

Trump的「The Signal」部落格每週發佈一次,內容僅涵蓋VFA元件。而筆者這篇月刊部落格自然就長一些,涵蓋現代放大器產品中的3種高速元件。

高速VFA的輸入/輸出範圍問題

在IC設計中,輸出擺動範圍問題是與輸入擺動設計要求分開的,這裡假設元件工作最好不要超過擺動範圍。對所有速度範圍和拓撲結構來說,輸出的擺動範圍通常與電源對稱,如果是軌到軌輸出(RRO),那麼它對兩個電源都是軌到軌;如果不是RRO,那它對兩個電源都不是RRO。而且,如果輸出不是RRO,那麼輸入範圍通常不是軌到軌輸入(RRI),只有少數情況例外。另外,運算放大器沒有地引腳,因此只要元件上的總電源電壓(Vs)在指定的工作範圍內,就可以對兩個電源引腳上的電壓進行任意組合。所得的輸出擺動相對於電源總會有一個「淨空(headroom)」,從而保證運算放大器能夠「線性」工作。RRO即可盡可能減小這個淨空,但是,為使運算放大器正常工作,仍然需要提供10mV~200mV的淨空;非RRO輸出需要高得多的淨空,但在輸出線性度對靜態功耗方面往往更具優勢。

以前對運算放大器輸出擺動的通俗解釋是「某些指定供電電壓下的±Vout」。這樣的表達有點囉嗦,而在最近發佈的一些產品規範(如圖1所示的OPA838規範)中出現了更好的表達方式,即「電源淨空」。該淨空規格在任意的電源電壓組合下都保持不變。

20190218TA31P1 圖1 負軌輸入、RRO OPA838的I/O淨空規格。

同時,一種較新且非常有用的輸出擺動範圍與輸出電流關係圖已成為標準的RRO特性曲線。隨著拉/灌輸出電流不斷變大,淨空要求相應增加,而「爪形」曲線這種典型方法可以為其提供更多的相關資訊,甚至最新的TINA巨集模型中包含了它。圖2所示的這種爪形曲線來自38MHz、RRIO OPA350資料手冊,圖中左邊的刻度是以正負電源電壓(V+和V-)為參考的輸出擺動範圍,曲線頂部和底部最大值的變化就是與拉電流或灌電流對應的淨空。

20190218TA31P2 圖2 RRIO OPA350的爪形曲線。

實際上,爪形曲線也是估算另一項非常重要的運算放大器輸出參數,即線性輸出電流的一種方法。利用爪形曲線,這一難度較大的參數可以很容易地從不同供應商數十年的資料手冊中得到或一致提取出來。由於缺乏更明確的規範,下述各個參數表根據這種爪形曲線(如果可用的話)使用0.5V淨空限值,來估算當拉/灌電流為最小值時的「線性」輸出電流。具有負載電流時,這一0.5V淨空大約處於RRO的邊緣(稱為部分RRO),差不多到了非RRO元件的狀態。在沒有這種曲線或缺乏明確規範行的情況下,另一種方法是取短路電流的1/2。最近,OPA837單位增益穩定放大器資料手冊使用了一種新的方式顯示可用的「線性」輸出電流,如圖3所示。最右邊的「A」表示經過100%自動測試設備(ATE)篩選,其中條件顯示了在±2.5V供電情況下的這類測試設置和限值。

20190218TA31P3 圖3 最新的「線性」輸出電流規範。

圖2所示的爪形曲線非常有用,暗示了2象限輸出VI特性。一些較舊型號的高速運算放大器(如OPA690)試圖顯示更全面的4象限輸出VI特性,如圖4所示。雖然圖中包含很大的訊息量(包括爪形曲線部分),卻沒有引起太大的關注,現在很大程度上已經被TI資料手冊拋棄—但它確實出現在較新的Microchip資料手冊中(圖4~6)。請注意,這個5.5mA靜態電流元件可提供更高的輸出電流。這是非RRO設計的主要優點,因為從所需的靜態供電電流到可得的輸出電流,可獲得更高的「功率增益」。

20190218TA31P4 圖4 非軌到軌OPA690 4象限輸出VI工作範圍。

20190218TA31P5 圖5 直流耦合、單電源、0V輸入到電平移位輸出的方法。

高速電壓回饋運算放大器的輸入範圍選項

與輸出電壓擺動範圍有兩種選擇不同,寬頻電壓回饋運算放大器通常有三種輸入範圍選擇。許多老式的非RRI元件通常也是非RRO元件(有一些例外),它們通常要求電源引腳提供1~2V的輸入工作電壓淨空。隨著單電源、RRO VFA開始變得流行,對於最早提供的負軌輸入(NRI)類型,其輸入一般可以擺動到負電源引腳,但通常要求正電源提供1~1.5V的淨空。這很快就轉移到眾多的軌到軌輸入式CMOS和雙極型元件,它們的輸入引腳對電源的電壓淨空降至最小。

隨著應用頻寬的增加,需要RRI到正電源的應用逐漸減少,高階電流檢測是其中的一個突出應用。對於單電源、直流耦合應用,還有更多的應用只需要輸入範圍到負電源,而實現從地到某個正電壓的輸入擺幅。對於高速互補雙極型運算放大器,NRI僅需要一個PNP輸入級,與雙極型RRI元件相比,這種元件更多一些。在更高速度的應用中,可能「不」需要正軌輸入的原因包括:

˙一般工作於某個增益。對於非反相工作,這可以降低輸入對輸出的擺動要求。50MHz以上的軌到軌輸入/輸出(RRIO)單位增益緩衝器應用比較少;

˙通常在交流耦合下工作,因此輸入直流工作電壓可以設置在最佳工作點,並且(如果增益 > 1)輸入擺動安全地位於電源軌內;

˙在可以使用反相工作的情況下,輸入引腳維持在非反相輸入的偏置電壓上,輸入端無電壓擺動。

雙極型NRI和RRO元件更普遍的問題在輸出引腳上。NRI採用的PNP輸入通常具有良好的線性度而可以,但是對於大部分RRO元件來說,如果硬要它擺動到地的200mV範圍以內,則輸出會失去線性。使用-0.23V固定負軌產生器LM7705作為負電源,也可以輕鬆得到200mV的輸出淨空。在運算放大器應用中使用這樣的開關穩壓器確實會引起PSRR問題。稍後將會看到,用FDA對LM7705這種方法進行基準測試,會對這種差分輸出高速放大器產生完全的開關雜訊抑制。LT6360這種源件包含了內建負電源發生器, 可以實現到地的線性擺動。

具有不同I/O範圍的代表性高速VFA元件

現代「互補」雙極型(垂直PNP)高速單片VFA最早出現在1989年,由多家供應商推出。經過近30年的產品開發,現有大量的元件可供我們選擇,表1到表3列舉了少量樣本,並提出了一些關鍵參數。這些參數來自過去10年某個時候對公開資料手冊的最佳審查。雖然這些表格出錯的可能性很小,但是對設計人員來說,仍然需要仔細審核最新的元件資料表。

20190218TA31P5-1 表1 非RRO、單通道、單位增益穩定高速VFA。

20190218TA31P5-2 表2 RRO、單通道、單位增益穩定高速VFA。

20190218TA31P5-3 表3 RRIO、單通道、單位增益穩定高速VFA。

從最大工作電源電壓(max Vs)可以猜測出該元件的製程技術。較高的電壓通常是雙極型的(較慢速的元件中HV CMOS更為常見),而最大Vs較低( < 7V)則是CMOS或互補SiGe。從輸入偏置電流也可判斷元件是雙極型還是CMOS/JFET,輸入偏置電流在μA級別時,可能是雙極型,而如果它在pA級別,則可能是CMOS/JFET。但凡事總有例外,一些元件的輸入偏置電流被消除了,顯示在nA級別,但實際上是雙極型輸入,一些較低雜訊CMOS元件的輸入偏置電流 > 1nA,輸入電容較大,擺動至軌是指淨空 < 0.5V的所有擺動。這些非RRO元件通常是最老的,因為較新的(2008年之後)設計通常都採用RRO,非RRO元件大多數是互補雙極型,這由相對較高的最大輸入偏置電流能看出來。原始供應商通常會列出來,因為它們與產品型號的首碼相關(例如,LMH表示「線性單片高速」)。

˙為了獲得較新的元件(請記住,完整列表追溯到1989年),篩選到:1k價格 < 2.20美元、最大Icc < 12mA,輸出電壓淨空 < 2V,輸入點雜訊 < 12nV/√Hz;

˙僅單通道、單位增益穩定VFA;

˙單位增益頻寬在20MHz < SSBW(小訊號頻寬) < 1GHz範圍內,以降序SSBW列出。

RRO VFA元件可以拆分為NRI和RRI元件。為了獲得較低的輸入雜訊,很少有RRO VFA兩個輸入軌都不包含,如表2所示。為了縮小這個NRI、RRO元件表格,使用與表1相同的篩選條件,剔除所有RRI元件,只剩下RRO元件。顯然,有更多的CMOS元件(Ib < 1nA)和更多Vs(最大值) < 7V的元件。另請注意,與非RRO元件相比,最大單位增益SSBW下降很大(450MHz對900MHz)。RRO即具有更大的傳播延遲,限制了單位增益穩定閉環頻寬。

最後來看RRIO高速VFA。同樣,採用與表2相同的篩選條件,但只包括RRI。這些RRI通常在輸入端包含一個分頻網路或包含一個內部電荷泵,以將輸入偏置在正電源電壓以上。 為簡單起見,許多VFA不同版本沒有包含在這些表中。被排除在外的VFA中,有非完全補償元件、多通道元件,以及已停產的元件。

在本系列的後續文章中將對CFA和FDA的I/O電壓範圍進行討論。

(參考原文: Input and Output Voltage Range Issues for High Speed Amplifiers, Insight #1 ,by Michael Steffes)