特定功能的放大器產品改善系統能力

運算放大器 (Op Amp) 已經出現很長時間了，實際上比半導體集成電路出現的時間都長。即使這樣，IC 設計師仍然繼續創新，以開發更小、更快、更準確和功率更低的運算放大器。也許更有意義的是，在集成度更高的 IC 產品中，運算放大器正越來越多地用作基本構件，而且每種 IC 產品都以特定種類的應用為目標。大多數電氣工程師對于某些基于放大器的產品是熟悉的。作為基于運算放大器的集成電路產品，比較器、儀表放大器和差分放大器得到了廣泛采用。這些產品執行了有用的功能，而且一般情況下，與相同的分立運算放大器電路相比，前者執行任務更快、更準確，使用的電路板空間也更少。本文專門討論幾類高速放大器產品，這些產品能提高新的儀表、醫療和通信應用的性能。這些產品已經進行了優化，以提供分立運算放大器電路不具備的功能和性能優勢

　　全差分高速放大器

　　隨著信號帶寬增加，放大和驅動這些信號的挑戰也增加了，尤其是需要數字化信號時，更是這樣。高速流水線型 ADC 顯現復雜的容性負載，需要在不給信號增加顯著噪聲或失真的條件下驅動這樣的負載。大多數高速 ADC 如今都采用差分輸入，以在一個有限的輸入電壓范圍 (由于半導體工藝幾何尺寸的日益縮小所致) 內實現 SNR 的最大化。

　　傳統上，一直用高速開環 RF 型放大器驅動這些 ADC。但是一般情況下，這些放大器是單端的，需要大量功率，并要求一個 5V 至 12V 的電源。最近，已經開發了全差分放大器，這些放大器以高速度驅動 ADC，并實現了卓越的噪聲和失真性能。這些放大器常常用先進的互補雙極型硅鍺 (SiGe) 工藝制造。因為鍺原子比硅原子大，所以給不同的硅工藝有選擇地增加一些鍺可在硅材料的晶體結構中引起壓力。這種壓力實際上導致有益的電氣特性，可制造出更快的晶體管。LTC6404 就是這樣一個硅鍺全差分放大器。這個放大器可以用來驅動差分信號，或對單端信號進行轉換，如圖 1 所示。LTC6404 針對信號帶寬從 DC 直到 10MHz 的 14 位和 18 位應用。對于高達 10MHz 的輸入信號而言，它實現了好于 90dB 的失真和不到 1.5nV/√Hz 的噪聲，從而使該器件非常適用于高性能儀表。任何放大器的關鍵內部組件都是其補償電路，該電路設定保持該器件穩定的最低增益。IC 設計師可以在較低增益時的穩定性和較高頻率時的更好性能之間權衡。LTC6404 有 3 種版本：單位增益可穩定的 LTC6404-1、去補償的 LTC6404-2 和 LTC6404-4，LTC6402-2 和 LTC6404-4 分別以 2 和 4 的最低增益實現了更高的速度和更好的失真特性。LTC6404 用 2.7V 至 5.25V 的單電源工作，提供軌至軌輸出，允許系統設計師最大限度地擴大輸出擺幅。還提供一個更寬溫度范圍 (-40℃至 125℃) 的 LTC6404 版本，以用在堅固的儀表應用中。

　進一步的集成可以提供更多益處。在高頻時，系統穩定性可能成為重大挑戰，這主要是因為在電路板上傳送高速信號引起了寄生電容。通過在放大器中集成增益和反饋電阻器，可減少電路板上的分立組件，并因此減少雜散電容。另外，關鍵的反饋節點被轉移到了芯片上，從而使電路對連接導線的電感不那么敏感了。LTC6400 就是這樣一個產品，就高達約 300MHz 的高頻信號而言，它實現了穩定性和高性能。LTC6420-20 更進一步，它在單芯片上集成了兩個通道，從而可以在兩個通道之間實現更好的相位和增益匹配。

　　高速可變增益放大器

　　通過采用全差分高速放大器，并納入增益控制以形成一個可變增益放大器 (VGA) ，甚至可以實現更高的集成度。VGA 作為數字控制或模擬控制器件提供，對自動增益控制和溫度補償尤其有用。LTC6412 (圖 2) 是全差分模擬控制 VGA 的一個例子，這種 VGA 在整個頻率、溫度和增益范圍內具有卓越的穩定性和一致性。LTC6412 具有 800MHz 時的 -3dB 帶寬，為用 1MHz 至 500MHz 的輸入信號工作而優化，并提供從 -14dB 至 17dB 的連續增益調節。它在整個增益范圍內實現了恒定輸出噪聲水平，在最高增益設置時具有僅為 10dB 的噪聲指數 (NF)。這導致了恒定 SFDR 特性，在整個增益控制范圍內，在 240MHz 時仍然保持高于 120dB。

　　高速有源濾波器

　　第三個基于高速集成放大器的產品例子是高速有源濾波器。直到最近，市場上大多數集成式有源濾波器的帶寬都限制為低于 2MHz。需要更高截止頻率的系統設計師別無選擇，只能開發分立式設計，而分立式設計笨重，并占用大量電路板空間。如果系統需要更高階的濾波器或高的濾波器準確度，那么這種挑戰會加劇。使高性能差分放大器和 VGA 得以實現的工藝和設計進步，同樣使開發更高帶寬的有源濾波器成為可能。與前面描述的放大器類似，這些新的濾波器常常是全差分和以在低電源電壓時實現更好的 SNR。凌力爾特公司已經推出多種大帶寬有源濾波器基本構件，打算用作減輕設計任務負擔的即用解決方案。這些單路和雙路匹配濾波器提供集成的、高度準確的濾波能力，以小的占板面積提供卓越的動態范圍性能。它們適用于多種應用，如用于驅動高分辨率 A/D 轉換器的抗混疊濾波器，在無線通信接收器和發送器中用于 D/A 轉換器的重建濾波器，工業和醫療信號處理中的光學和圖像處理濾波器，儀表和測試、RFID 調制基帶濾波器，以及信號處理應用中所有類型的濾波。

LTC6601 含有一個低噪聲、寬帶放大器以及內置分類電阻器和電容器，以形成一個 2 階差分輸入和輸出的低通濾波器。這些電阻器和電容器從引腳引出，允許用戶混合和匹配不同的組合，以形成從 5MHz 至 27MHz 的多種低通響應以及濾波器增益。這些內部電阻器和電容器滿足 ±0.5% 的容限。另外，該放大器的帶寬還在工廠中進行了微調。該組合提供的低通濾波器響應的準確度在用分立組件時是難以做到的，同時這組合可確保卓越的可重復性并顯著節省電路板空間。圖 3 顯示該濾波器通過引腳搭接內部電阻器和電容器以實現不同濾波器響應的拓撲。通過級聯多級該濾波器，可以非常容易地設計具有準確響應的更高階濾波器。

　　就像 LTC6420 雙路高速放大器的例子一樣，集成的有源濾波器還可以設計成在同一封裝中具有多個通道，以在多通道系統中提供匹配的增益和相位。LTC6605 就是這樣一個基于 LTC6601 的雙路濾波器。3 個版本實現從 6.5MHz 到 25MHz 的截止頻率。這些雙通道濾波器具有有保證的增益和相位匹配規格。它們為即用型、小外形尺寸、具最少外部組件的解決方案而設計。

　　LT6604 系列是另一個雙路寬帶濾波器的例子，這些濾波器為在額定頻率帶寬范圍內提供嚴格匹配的相位和幅度性能而設計。這個系列提供固定 2.5MHz、5MHz、10MHz 和 15MHz 截止帶寬，可用 3V、5V 或 ±5V 電源供電。它們的響應有 4 階逼近契比雪夫 (Chebyshev) 滾降過渡帶，同時在直到規定截止頻率的通帶內保持嚴格的 0.6dB 增益平坦度。頻率響應不受增益設置的影響，增益設置由兩個外部電阻器控制。LT6604 為今天新一代先進的通信接收器、儀表和信號處理設備而設計，這些設備需要準確的多通道濾波和匹配特性。

　　如 LTC6602 和 LTC6603 所展示的那樣，更高階雙通道濾波器也可以實現。LTC6602 結合了一個與 4 階高通濾波器級聯的 5 階低通濾波器，以形成一個帶通響應。增益和截止頻率可利用引腳搭接或 SPI 接口設定。高通濾波器可以在軟件控制下旁路，從而僅提供低通濾波功能。最高工作頻率為 900kHz，適用于 RFID 閱讀器和更低頻率的通信接收器。相比之下，LTC6603 有更大的帶寬，最高截止頻率高達 2.5MHz。它是一個真正的 9 階低通雙通道濾波器，并在比轉角頻率高一個倍頻程的條件下提供了超過 45dB 的抑制。

　　結語

　　半導體工藝技術和集成電路設計的進步使全新一類為高頻應用而優化的放大器產品成為可能。高速硅鍺工藝在更大的帶寬上實現更高的性能。這些放大器產品通過采用差分架構，就給定電源范圍而言，最大限度地擴大了動態范圍。良好匹配的內置電阻器和電容器提供卓越的噪聲和失真性能，同時在溫度變化范圍內提供卓越的匹配。最后，可以集成多個通道以提供通道至通道匹配，而用電路板級的分立放大器很難實現這樣的匹配。