纤巧型放大器可快速驱动重电容性负载

作者：时间：2008-06-03来源：网络收藏

　　在电子电路中，寄生电容可谓无处不在。FET 栅极、布线、地和电源平面都会导致电容底线的增加。当高速电路中的电容性负载变得很重时，谨慎仔细的运算放大器选择对于优化转换速率、电流输出能力、功耗和反馈环路稳定性而言极为重要。

　　苛刻的电路要求

　　例如，假设由一个 100MHz、2VP-P 正弦波信号来驱动一个 350pF 的电容性负载。在这种情况下，所需的无失真最小转换速率为：

　　SRMIN = 2πfVPK

　　SRMIN = 2π (100MHz) (1V) ≈ 630 V

　　转换速率设定了最大输出电流 —– 放大器正在给一个电容器充电，因此，最大输出电流将出现在最大转换速率条件下。

　　I = C dV

　　I = (350pF) 630 V ≈ 220mA

　　最大功耗是一项重要的考虑因素。对于一个采用 ±5V 工作电源的运算放大器，假设电容性负载在 0V 条件下起动并以最大电流进行充电，则峰值功率为：

　　P = IV

　　P = (220mA) (5V) ≈ 1.1W

　　当采用一个具有 135°C/W 热阻的封装时，这种非常连续的功率将导致芯片温度上升 148°C。如果环境温度为 85°C，则将使芯片温度达到足以熔化封装的 233°C！

　　为了使 CLOAD 与放大器隔离，设计方案可以采用一个串联电阻器 RS。当电阻器或电容性负载变得非常大的时候，这种方法最终将限制带宽。由于该 RC 时间常数所造成的带宽缩减有可能对性能产生限制。当采用电流反馈放大器时，增大反馈电阻器 RF 是一种用于抑制峰化的替代补偿方法。

　　纤巧型电流反馈放大器

　　对于上述的高速、大电容性负载实例，400MHz 电流反馈放大器系列 LT1395/LT1396/LT1397 肯定可以满足转换速率要求。LT1395/LT1396/LT1397 能够迅速地处理大信号，并提供 80mA 的最小保证输出电流。不过，对于上例来说，该放大器系列达不到 220mA 的电流要求。在这种场合，虽然一个放大器或许不够，但 4 个肯定足够了。把这些放大器并联起来将能够满足电流要求，同时维持安全的功耗和稳定性。

　　LT1397 四通道放大器专为在保持上佳热特性时推动大电流负载而设计。纤巧型 4mm x 3mm DFN 封装的铜质下腹部把热阻降至 43°C/W，就上面所举的例子来说，芯片温度将仅会上升至比环境温度高 47°C 的水平。

　　元件的选择和测试

　　无需组装完整的并联配置，可以构建一个单放大器测试电路，用于检查负载电容除以所采用放大器数目的结果 (CLOAD/4)。

　　剩下的工作便是选择反馈电阻器 (RF) 和串联电阻器 (RS) 的合适阻值，以最大限度地增加 -3dB 带宽，并充分地实现频率响应中峰化值的最小化。不管是 RF 还是 RS ，较小的阻值都将导致带宽和峰化的增加。RF 具有一个约 255Ω 的实际下限。当负载电容增加时，RF 和/或 RS 的阻值必须增大，以维持稳定性。

　　图 2 示出了采用图 1 所示的四放大器电路以及不同的 RF/RS 组合和 350pF 总负载电容时的测量结果。测量是在增益等于 1 的条件下进行，因此未采用 RG。

　　图 1：采用全部 4 个放大器 (LT1397) 来驱动大电容性负载

　　图 2：选择用于驱动 350pF 负载电容的合适 RF 和 RS (当并联 4 个 LT1397 放大器)

　　四放大器电路拓扑结构相比于单放大器的效力优势可从图 3 看出。为了显示一个更具代表性的效果，我们把负载电容增至原来的 3 倍 (1000pF)。四放大器并联电路能够在不到 10ns 的时间里把 4V 电压转换至 1000pF 的负载电容中。这对应于一个 400mA 的转换输出电流。单放大器结构的电流限值约为 140mA，从而降低了至该大电容性负载的转换速率。对于单放大器配置，相同的 4V 转换需要 28ns 的时间，这几乎是四放大器配置的三倍。