在本系列的第一篇文章中(已刊登於EDN Taiwan 2月號),探討了高速電壓回饋運算放大器(VFA)的I/O範圍選擇。本文將針對其餘兩種最常用的高速放大器探討相同的問題,首先是「電流回饋放大器(CFA)」,然後是「全差分放器(FDA)」。CFA的I/O問題比較簡單,而FDA卻有許多新的I/O範圍問題和新功能,本文將透過一些基本應用,以及一些具有代表性的詳細選擇參數來闡述這兩種放大器的I/O範圍問題。

CFA的輸入/輸出範圍問題

20世紀80年代初,Comlinear推出首批CFA混合元件。其拓撲結構極大地受益於對稱的NPN和PNP元件,而垂直型PNP IC製程在20世紀80年代中後期才開始出現。Comlinear的第一款單片CFA(CLC400)在1988年10月推出,比另外兩款單片CFA(AD811和EL2020)的時間晚幾個月。30年來不斷有新的CFA推向市場,但其輸入範圍卻始終不包含任何一個電源軌。

在典型的運算放大器圖中,CFA的V+~V-引腳之間需要一個單位增益緩衝器。然而,此V-(圖1中的In-)引腳也需要透過電流鏡將雙極性誤差電流上下傳遞給每個電源。要使此陰極級聯(cascade)誤差電流(「回饋電流」)通過V-節點上的射極跟隨器上下傳遞到電源附近的電流鏡,對於此單位增益緩衝器,就需要從V+輸入到V-節點相對電源有一定的淨空。圖1是一個典型的CFA電路圖,其中突出的部分是一個非常簡單的輸入緩衝器,雖然這款早期的CFA元件還包含了偏置平衡引腳(借鑒了VFA IC設計),但此外部平衡調整無助於改善輸出偏置漂移,所以在後續的CFA元件中很少採用。

20190312TA31P1 圖1 早期CFA單片運算放大器(EL2020)電路圖。

同樣,雖然有少數CFA元件是軌到軌輸出(RRO),但其他所有CFA都是非RRO。輸入緩衝器比大多數輸出級需要更大的淨空,這表示產品的輸出相對輸入引腳具有較小的淨空值選擇(而且I/O到每個電源對稱)。到目前為止,CFA的主要應用是提供一些同相增益(或反相運作),所以輸入端增加的淨空不是輸出擺動的限制因素。

雖然所有CFA元件本質上都是單位增益穩定,但由於許多應用的同相增益較高,因此許多元件指定增益為+2V/V,有時更高。理論上,CFA的AC性能可以保持不變。然而,工作在較高同相增益的輸入緩衝器兩端所需的較低電壓擺幅範圍(或在反相的情況中輸入緩衝器兩端沒有電壓擺動),會將全功率頻寬(FPBW)極限轉移到主放大器而不是輸入端之間的開環緩衝器。

依應用空間分組的代表性CFA元件

因此,相對於更普遍的VFA解決方案,CFA解決方案又會應用在哪裡?VFA元件一般用在ADC之前,而CFA則主要用在DAC之後提供訊號產生器功能。由於CFA的壓擺率可以依需要調整(slew rate on demand),因此在大訊號線性度對靜態功耗方面比VFA具有顯著優勢。早期的CFA應用多是增益為+2V/V的簡單視訊線驅動器,用來恢復視訊同軸傳輸的反向匹配損耗(backmatch loss)。與此同時,CFA放大器最初應用於HP任意波形產生器(AWG)輸出級,而許多訊號產生器繼續在輸出BNC或SMA連接器後面使用CFA元件。

20世紀90年代中期,用於數位用戶迴路(xDSL)的各種雙絞線迴路驅動器的面世,為雙通道CFA帶來了極大的機會,推動了通用雙CFA元件的產品開發。與兩個獨立的運算放大器不同,最新開發的有線驅動器是專用的,只適於差分驅動器應用。比如在xDSL、PLC、G.Fast和智慧電網等各種有線通訊技術中,核心CFA用作差分輸出驅動器無所不在。雙耦合CFA在資料手冊中通常稱為「埠」,表示一對固定的推挽式CFA驅動器。

具有較高輸出電流的CFA通常應用於AWG和有線通訊中。表1篩選了>200mA的線性輸出電流,包括單通道(AWG)和雙通道(xDSL),有些雙通道CFA線路驅動器甚至不提供單通道版本。此外,某些只能用作差分推挽輸出級的雙通道CFA沒有包含在表1中,這裡列出的雙通道CFA可用於負載分配配置,也可以單獨用於單端線路驅動器。

20190212TA31P1-1 表1 高輸出電流單通道、雙通道CFA元件。

為顯示較新的高輸出電流CFA,表1還根據以下條件進行了篩選:

  1. 輸出淨空 >2V;

  2. 若禁用和非禁用元件有不同的產品型號,只列出了禁用版本;

  3. 輸入電壓雜訊 < 4nV/√Hz;

  4. 內部增益值固定;

  5. 過時的元件。

目前最快的高輸出電流CFA是最近推出的THS3491,它用於AWG輸出。注意,這裡較高的最大Vs通常支援AWG或有線驅動器較高的輸出電壓擺動。

在低輸出功率應用中CFA元件更多,包括許多單/雙/四通道系列。另外,所有這些元件都是非RRIO,所以輸入與輸出通常要求更多的淨空。為簡單起見,表2僅列出單通道元件,篩選條件與表1相同。

20190212TA31P1-2 表2 具有代表性的通用單通道CFA。

這些元件採用了圖1中的原始CFA設計,其中一個元件(OPA684)用了一個閉環輸入緩衝器,在低功耗元件增益設置下提供更加恆定的頻寬。閉環輸入緩衝級可降低從V-輸入端看進去的開環阻抗,從而減少環路增益公式中的寄生效應。表2中元件的最大工作電源電壓有很多相似之處,表示其所使用的互補雙極製程技術是相似的,從Ib max列看,表中沒有CMOS CFA元件。V+輸入偏置電流始終是兩個偏置電流的抵消;V-輸入偏置電流通常較高且與V+偏置電流無關,除非採用偏置電流抵消技術改善輸出偏置。

FDA的輸入/輸出範圍問題

自1999年問世以來,FDA已成為驅動差分輸入ADC的常用方法。簡言之,FDA是具有第二共模控制環路的核心差分I/O運算放大器。第二環路測出兩個輸出電壓的平均值,並迫使它去匹配一個所加的(通常為DC)Vocm輸入電壓。不熟悉FDA的可透過圖2中顯示的典型直流耦合、單端轉差分ADC驅動器設計來瞭解,它採用了最近推出的NRI、RRO精密FDA。

20190312TA31P2 圖2 直流耦合,3.3V單電源,雙極性單端源5V/V增益。

FDA的一個新功能是取得一個接近地的直流耦合雙極性輸入擺動,並使用單電源解決方案,將其移動至接近所需共模電壓的差分輸出擺動,兩個輸入引腳上的電壓總是經過電平轉換後高於地。在圖2的單端輸入例子中,當源訊號處在中間水準時,兩個輸入引腳上會產生一個平均電壓,它會以共模電壓的形式隨訊號而上下移動。要想看到這種效果,一種比較容易的辦法是注意下方的FDA輸出端的回饋通路,工作在單電源時,FDA輸出不會低於地。

因此,分壓器回到下方輸入回饋引腳的電壓也不會低於地。差分環路將輸入差分電壓強制為零,從而在兩個輸入引腳上產生相同的共模移動。查看輸入引腳共模移動最容易的辦法,是透過Rg/(Rf+Rg)對下方的FDA(非訊號輸入端)輸出電壓擺幅進行簡單的電阻分壓。近期的FDA更多的是採用負軌輸入(NRI),利用一個單電源將雙極性或地參考輸入訊號轉換為DC耦合差分輸出,來實現這種簡單操作。

為了獲得此NRI,許多FDA使用核心VFA拓撲(帶PNP輸入)來實現與更多典型VFA元件的I/O範圍選擇相匹配的訊號通路。有少數FDA元件,它們使用非RRIO的核心CFA設計。FDA的一個新的考慮因素是內部共模控制電路所需的工作淨空,所有FDA都增加了一個用於設置輸出共模電壓(圖2中的Vocm )的控制電壓輸入。

由於這兩個輸出引腳需要圍繞此電壓進行差分擺動,因此沒有FDA會提供包含電源的輸出共模電壓範圍。對於共模範圍,典型的情況是對負電源的淨空比對正電源的淨空小,FDA所採用的工作單電源,其輸出共模電壓轉移至更接近地電平(0.95V,典型的流水線ADC Vcm,如圖2所示),以滿足ADC要求。圖3顯示了一個最新的精密FDA的典型共模控制電壓淨空規格。

20190312TA31P3 圖3 NRI、RRO FDA的典型共模環路淨空規格。

FDA應用的設計流程從輸出引腳開始,然後回推到輸入。首先,輸出共模電壓設置為ADC所需的電壓。對於交流耦合輸出應用,Vocm輸入引腳通常可以懸空,許多FDA預設其電壓值為中間電源,從而在該Vocm (兩個電源電壓的中間值)周圍提供最大的差分輸出擺動。這種情況下,在這些輸出阻塞電容的另一側會重新建立ADC所需的共模。

評估輸出擺幅限值的第一步是以相反極性在Vocm電壓周圍加減差分峰值Vpp /4擺動。每個輸出端提供1/2總Vpp,然後每個引腳又圍繞Vocm電壓擺動其±1/2,以產生全差分擺動。然後將最小/最大絕對輸出電壓範圍與電源的輸出淨空進行比較,以驗證輸出訊號不出現削波。

FDA的最新考慮(也是難點)在於輸入引腳電壓作用之處。簡而言之,假設平衡電阻分壓器在FDA的兩側,差分輸入設計會以固定的DC FDA輸入引腳電壓工作,該電壓是源共模電壓和FDA設置輸出共模電壓分壓的結果。無論在輸入端是採用直流耦合還是交流耦合作為差分輸出的單端輸入,FDA的一個令人困惑的地方是,FDA輸入引腳上的電壓都會通過共模檢測隨著輸入訊號移動。回到圖2的例子:

  1. 輸出共模電壓為0.95V,由Vocm輸入電壓設定;

  2. FDA引腳上的目標最大差分輸出為2Vpp,對於典型的流水線ADC,由低插入損耗濾波器衰減到1.8Vpp的-1dBFS幅度。請注意在濾波器末端使用差分R來維持FDA到ADC的共模輸出為0.95V;

  3. 然後每個FDA輸出引腳擺動0.95±0.5V,或者從0.45V~1.45V。該RRO FDA需要大約0.2V的輸出淨空—使用3.3V單電源限幅這些輸出擺動不會出現削波;

  4. 為得到增益5,在Rt上需要±0.2V雙極性輸入,以達到相應的輸出電壓;

  5. FDA輸入引腳以共模方式移動(215Ω/(1kΩ+215Ω)) * (0.45V →1.45V) 或0.08V→0.256V(FDA下側對地輸出擺動透過電阻分壓器對下側回饋通路進行分壓後送到輸入引腳)。

使用TINA對圖2中的電路進行2MHz方波回應模擬,得到圖4的波形,圖中輸入引腳低電平處的記號(marker)顯示了預期的80mV最小值。重點是輸入引腳保持在地之上,在NRI FDA的範圍內,請記住,差分2Vpp輸出訊號實際上是2個0.45V~1.45V擺幅,180°反相。

20190312TA31P4 圖4 圖2中Rt處施加2MHz±0.2V輸入進行方波模擬。

這個示例顯示了I/O引腳的工作條件。早期的開發允許使用不平衡回饋分壓器,從而使公式變得複雜。假設在每個回饋通路上使用匹配的分壓器(AC和DC),可大大簡化這種情況,並且更能代表預期的應用。隨著不平衡方法的發展,回饋分壓器不平衡的影響也顯露出來。

RRO單電源FDA SAR驅動器解決方案實現真正擺動到地

正如在VFA運算放大器的I/O範圍選擇中提到的,使用-0.23V LM7705固定穩壓器可以實現單電源RRO元件真正擺動到地(良好的線性度或SFDR)。由於開關波紋問題(LM7705在92kHz時為4mVpp),設計人員通常會避免這種選擇,像THS4551這樣的精密FDA,由於其差分輸出結構,因而具有很好的PSRR。

《Optimized Analog Front End DAQ System Reference Design for 18-bit SAR Data Converters》一文的設計示例中使用了18位元SAR ADC來測試這種組合解決方案。每個FDA輸出引腳上使用0V→4.096V擺動,為該18位元、1MSPS、SAR ADC提供總共8.192Vpp的最大差分輸入。將4mVpp負電源波紋衰減100dB -PSR,由於存在電源波紋,僅得到40nVpp的差分輸出。這遠遠低於(8.192V/(219))=15.6μV 1/2 LSB,92kHz附近的電源波紋在FFT中應該是不可見的。該篇文章中提出了一系列問題,最後顯示了一個2kHz滿量程輸入FFT,但在92kHz附近什麼也沒有。那個結果在這裡又出現了,如圖5所示,2kHz滿量程輸入的諧波項也非常低,說明這些新的低功耗FDA能夠很好地驅動精密ADC。

20190312TA31P5 圖5 LM7705開關、-0.23V電源下THS4551訊號通路的FFT。

依應用空間分組的代表性FDA元件

最新的FDA元件分為用於精密ADC驅動器的元件和更專注於高速流水線ADC的元件。精密FDA元件都是RRO,並且大多數是NRI,也有一些是RRI,能提供更低的輸入引腳至正電源的淨空。有些應用是將輸入引腳移動到靠近正電源,其中高共模正電壓的衰減可能為1,還有更多只需要NRI性能的應用,具有雙極性或地至某正輸入擺幅。

表3顯示了基於VFA的精密RRO FDA元件,篩選條件如下:

  1. 僅限單版本(許多都有雙版本);

  2. 最大輸入失調電壓 < 1mV;

  3. 為得到更新的元件,1k價格< $3.00;

  4. 沒有固定增益版本;

  5. 沒有過時的元件。

20190312TA31P5-1 表3 精密RRO FDA元件。

隨著工作頻寬的增加,FDA已經出現在I/O範圍性能的每種組合中。其中許多設計具有較高的最小增益(VFA最小穩定增益),以獲得較高的閉環頻寬,LTC(已被ADI購併)在LTC6404系列中甚至提供了一些最小增益。許多極高BW應用都是AC耦合的,因此較差的輸入DC失調電壓也能被一些FDA接受,在最高的SSBW時都不是RRO,但有一些是NRI,以處理極高速的DC耦合脈衝應用,其輸入訊號對+Vin來說是地。

甚至還有一些元件不是RRO,卻是RRI。不過這些幾乎都是基於VFA,只有兩個基於CFA的元件(LMH6554和ADA4927-1),這兩個元件都是非RRIO,是典型的CFA設計。正如所料,這些CFA型FDA通常出現在差分輸出AWG應用中。為了精簡內容,表4僅列出單通道版本,並篩選出以下內容:

  1. 輸入雜訊>2.2nV(對於寬頻應用,通常需要較低的整合雜訊);

  2. SSBW< 500MHz(與表3中的精密元件THS4541重疊);

  3. 如果有兩個版本,僅顯示禁用版本;

  4. 沒有固定增益版本;

  5. 沒有過時的元件。

20190312TA31P5-2 表4 最高速FDA。

這些都是雙極型(通常是互補)IC製程。注意,由於最大Icc的大幅增加,使提供的FDA在最高速度範圍內。非完全補償VFA ISL55210和基於CFA的LMH6554元件中出現了0.9nV/√Hz的最低輸入電壓雜訊,後者實際上顯示出更高的總輸出雜訊,因為CFA設計本身固有的電流雜訊較高。

CFA和FDA元件I/O範圍問題總結

CFA對於大功率輸出驅動器具有很大優勢,但在輸出端通常沒有擺動到軌,並且兩個軌始終不在輸入引腳上。這幾乎不會限制其作為AWG輸出級或大功率差分線性驅動器的使用。最新推出的高速放大器中大多是FDA,其中基於VFA的版本提供了和VFA型運算放大器類似的I/O範圍選擇。

最近的多數工作集中在NRI、RRO精密元件,或具有非RRO和非RRI(或NRI)輸入級的更高速FDA元件。最高閉環頻寬需要非RRO輸出級,但一些應用卻受益於輸入擺動更接近負電源。在圖2的直流耦合雙極輸入示例中,如果FDA輸入範圍延伸到地,則一個新功能是利用FDA實現從雙極輸入到差分輸出的單電源工作。

(參考原文: Input and Output Voltage Range Issues for High Speed CFAs and FDAs, Insight #2,by Michael Steffes)