ADA4896:ADI軌到軌輸出放大器詳解

　　ADA4896-2/ADA4897-1/ADA4897-2是單位增益穩(wěn)定、低噪聲、軌到軌輸出、高速電壓反饋型放大器，靜態(tài)電流為3 mA，1/f噪聲為2.4 nV/_Hz （10 Hz），無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍為−80 dBc （2 MHz），堪稱超聲、低噪聲前置放大器和高性能ADC驅(qū)動(dòng)器等各種應(yīng)用的理想解決方案。ADI公司專有的新一代SiGe雙極性工藝和創(chuàng)新結(jié)構(gòu)造就了如此高性能的放大器。

　　典型性能值

　　為了縮短設(shè)計(jì)時(shí)間并消除不確定性，表1提供了典型增益、元件值和性能參數(shù)的參考值。所用的電源電壓為5 V。帶寬在200 mV p-p的小信號(hào)輸出下獲得，壓擺率在2 V輸出階躍下獲得。請(qǐng)注意，隨著增益提高，小信號(hào)帶寬會(huì)下降，這與增益帶寬積的關(guān)系是一致的。此外，增益越高，相位余量越大，放大器變得越加穩(wěn)定。因此，頻率響應(yīng)的峰化隨之減?。ㄒ?jiàn)圖1）。

　　表一：

　　圖一 不同增益下的小信號(hào)頻率響應(yīng)

　　低噪聲增益可選放大器

　　圖二 利用ADA4896-2和ADG633構(gòu)建低噪聲增益可選放大器來(lái)驅(qū)動(dòng)低阻性負(fù)載

　　增益可選放大器支持處理各種不同的輸入信號(hào)。傳統(tǒng)增益可選放大器利用反饋環(huán)路中的開(kāi)關(guān)連接反相輸入端。開(kāi)關(guān)電阻會(huì)降低放大器的噪聲性能，并在反相輸入節(jié)點(diǎn)增加很大的電容。使用低噪聲放大器時(shí)，噪聲和電容問(wèn)題尤其麻煩。此外，開(kāi)關(guān)電阻也會(huì)引起令人討厭的非線性增益誤差。圖2顯示了在增益可選放大器中使用的一種創(chuàng)新開(kāi)關(guān)技術(shù)，它既能保持ADA4896-2的1 nV/Hz噪聲性能，同時(shí)還大大降低非線性增益誤差。利用這種技術(shù)，用戶也可選擇電容最小的開(kāi)關(guān)來(lái)優(yōu)化電路的帶寬。在圖2所示電路中，開(kāi)關(guān)利用 ADG633實(shí)現(xiàn)，配置為S1A和S2A接通，或者S1B和S2B接通。

　　本例中，當(dāng)開(kāi)關(guān)S1A和S2A接通時(shí)，第一級(jí)放大器增益為+4；當(dāng)開(kāi)關(guān)S1B和S2B接通時(shí)，第一級(jí)放大器增益為+2。ADG633的第一組開(kāi)關(guān)置于反饋環(huán)路的輸出端，第二組開(kāi)關(guān)用于在某一點(diǎn)（V1或V2）采樣，該點(diǎn)的開(kāi)關(guān)電阻和非線性電阻無(wú)關(guān)緊要。這樣就能降低增益誤差，同時(shí)保持ADA4896-2的噪聲性能。

　　注意，輸出緩沖器的輸入偏置電流會(huì)跟采樣開(kāi)關(guān)S2A和S2B的阻抗做成電路誤差。這兩個(gè)采樣開(kāi)關(guān)與電壓和溫度的關(guān)系均呈非線性特點(diǎn)。如果這是一個(gè)問(wèn)題，則應(yīng)將ADG633未使用的開(kāi)關(guān)（S3B）置于輸出緩沖器的反饋路徑中，用以平衡偏置電流（參見(jiàn)圖2）。此外，輸入放大器的偏置電流會(huì)在輸出端引起偏移，該偏移隨增益設(shè)置不同而異。

　　由于輸入放大器和輸出緩沖器均為單芯片器件，因此可以利用其偏置電流的相對(duì)匹配性來(lái)消除上述偏移變化。將一個(gè)大小等于RF2與RF1之差值的電阻與開(kāi)關(guān) S2A串聯(lián)，可以獲得更穩(wěn)定的失調(diào)電壓。下面的推導(dǎo)公式說(shuō)明，在V1采樣可產(chǎn)生所需的信號(hào)增益，且無(wú)增益誤差。RS表示開(kāi)關(guān)電阻。V2可以利用同樣的方法導(dǎo)出。

　　公式一注意，如果V01產(chǎn)生所需的信號(hào)增益且無(wú)增益誤差，則緩沖輸出V02也無(wú)增益誤差。圖3所示為電路在V02處的歸一化頻率響應(yīng)。

　　圖三 V02/VIN的頻率響應(yīng)

　　醫(yī)療超聲應(yīng)用圖超聲系統(tǒng)概述

　　圖四 簡(jiǎn)化超聲系統(tǒng)功能框圖

　　醫(yī)療超聲系統(tǒng)屬于當(dāng)今廣泛使用的最復(fù)雜的信號(hào)處理系統(tǒng)。超聲系統(tǒng)可以通過(guò)向人體發(fā)射聲學(xué)能量，然后接收并處理回波，從而產(chǎn)生內(nèi)部器官和結(jié)構(gòu)的圖像，繪制血液流動(dòng)和組織運(yùn)動(dòng)圖，以及提供高度精確的血流速度信息。圖4所示為超聲系統(tǒng)的簡(jiǎn)化功能框圖。

　　超聲系統(tǒng)主要包括兩種操作：時(shí)間增益控制（TGC）操作和連續(xù)波（CW）多普勒操作。AD9279將這兩種操作的關(guān)鍵器件集成到一個(gè)IC中，它內(nèi)置8通道的可變?cè)鲆娣糯笃鳎╒GA）、低噪聲前置放大器（LNA）、抗混疊濾波器（AAF）、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）以及具有可編程相位旋轉(zhuǎn)的I/Q解調(diào)器。關(guān)于如何在超聲系統(tǒng)中使用AD9279的詳細(xì)信息，請(qǐng)參見(jiàn)AD9279數(shù)據(jù)手冊(cè)。

　　在超聲應(yīng)用中，ADA4896-2/ADA4897-1/ADA4897-2用在AD9279 I/Q解調(diào)器之后的連續(xù)波多普勒路徑中。多普勒信號(hào)通常在100 Hz到100 kHz范圍內(nèi)。ADA4896-2/ADA4897-1/ADA4897-2的低本底噪聲和高動(dòng)態(tài)范圍使其成為處理弱多普勒信號(hào)的出色選擇。

　　ADA4896-2/ADA4897-1/ADA4897-2提供軌到軌輸出和高輸出電流驅(qū)動(dòng)，非常適合用于電流電壓轉(zhuǎn)換器、電流加法器和ADC驅(qū)動(dòng)器。圖4所示為AD9279所有8個(gè)通道的互連框圖。使用放大器ADA4896-2的兩級(jí)。第一級(jí)執(zhí)行電流電壓轉(zhuǎn)換，并對(duì)解調(diào)過(guò)程產(chǎn)生的高頻成分進(jìn)行濾波。第二級(jí)用于匯總多個(gè)AD9279器件的輸出電流，以便提供增益，并驅(qū)動(dòng)18位SAR型ADC AD7982。CW信號(hào)路徑的折合到輸出端噪聲取決于LNA增益、第一級(jí)求和放大器的選擇和RFILT值。要確定折合到輸出端噪聲，必須知道有源低通濾波器（LPF）的RA、RFILT和CFILT值。

　　單個(gè)AD9279的所有8個(gè)通道的典型濾波器值為：RA為100 _，RFILT為500 _，CFILT為2.0 nF；此時(shí)可實(shí)現(xiàn)100 kHz的單極點(diǎn)低通濾波器。通過(guò)提高濾波器電阻RFILT，可以提高電流電壓轉(zhuǎn)換器的增益。為使轉(zhuǎn)折頻率保持不變，濾波器電容CFILT應(yīng)降低同樣的比例。限制增益幅度的因素是輸出擺幅，以及電流電壓轉(zhuǎn)換器的負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力（ 本例中用的是ADA4896-2/ADA4897-1/ADA4897-2）。任何放大器的驅(qū)動(dòng)能力都有限只能驅(qū)動(dòng)有限的通道。