宽带固定增益放大器THS4302的工作原理和应用电路分析

  1､引言

  THS4302是美国德州仪器公司推出的新型固定增益放大器,它具有低失真､高斜率､低噪声和超过2GHz的增益带宽积｡这些特性的结合使得模拟电路设计人员能够超越当前的性能限制,而以高于先前使用闭环所能达到的速率来处理模拟信号,从而优化放大器的设计方案｡

  THS4302具有2.4GHz的带宽及+5V/V的固定增益,其性能较现有同类器件提高了三倍,从而为高速应用领域提供了高速度､低噪声的模拟解决方案｡

  THS4302的推出使得无线基站､中继站以及其它基础设备能够提供更多的通道,从而可在更小空间中提供更高的带宽｡由于THS4302具有高速､低失真特性,因而可在数字信号处理 (DSP)中驱动宽动态范围的高精度A/D(数/模)转换器｡THS4302在100MHz频率输入时, 可驱动100Ω负载,其三阶输出截取点(OIP3)可高达+46dBm,这和以前的相同固定电压增益的运算放大器相比,具有更佳的线性增益变化及更低的功耗｡

  THS4302还采用了新型的带散热垫(PowerPAD)的RGT封装,其引脚定义如图1所示｡各引脚下的功能说明如下:

  1~4脚(VS-):电源负端;

  5~8脚(VOUT):输出端;

  9~12脚(VS+):电源正端;

  13脚(NC):空脚;

  14脚(VIN-):输入负端;

  15脚(VIN+):输入正端;

  16脚(PD):功率下拉端,低电平有效｡

  2､工作原理

  2.1 宽带同相工作

  THS4302是具有功耗下拉功能的固定增益电压反馈运算放大器,可在3V~5V的电源下工作｡现以图2为例说明TH4302电路的典型性能｡该电路采用同相放大结构,并采用双电源供电｡图2中,VI端49.9Ω的并联电阻用来匹配测试仪器的源阻抗｡VO端的50Ω电阻用于与测试仪器的50Ω负载阻抗相串联以提供100Ω负载｡输出端总的100Ω负载与总共250Ω的反馈网络负载相结合可在THS4302的输出端呈现出71Ω的有效输出负载｡图中的Rf､Rg为THS4302的内部反馈电阻和增益设定电阻,其取值分别为200Ω和50Ω｡从图2可以看出,为了获得足够宽的频带响应,电路在正､负电源端均设计了严格的滤波网络｡

  2.2 单电源工作

  当THS4302在单电源下工作时,输入信号和放大器必须具有适当的偏置以便能获得最大的输出电压摆幅｡图3给出了一种有益于放大器单电源工作的配置方法｡

  为了获得最大的输出电压摆幅,输入信号和放大器应加Vs/2的电压｡图中标示的2.5V偏置电压是在供电电压为5V时给出的｡

  另外,通过THS4302的功耗下拉引脚?PD?可以将静态电流从37mA降至800μA,这对于降低系统功耗是非常有用的｡当放大器的功耗下拉脚(PD)接到高电平(正电源)时,放大器工作在正常功耗模式｡而当功耗下拉脚(PD)接负电平时,放大器关断,此时电流降至800μA｡

  功耗上拉或下拉门限电压与电源电压有关｡当加到功耗下拉脚(PD)的电压高于使能电压时,器件被激活｡而在低于下拉电压时,器件休眠｡当所加电压在两门限电压之间时,放大器的工作状态不确定｡

  3､典型应用电路

  3.1 用THS4302驱动A/D转换器

  图4所示是用THS4302驱动高性能A/D转换器的实际电路｡图中,THS4302输出的放大信号经过隔离电阻､AC耦合电容和低通滤波器后,再经宽带变压器即可转化为差分信号以驱动A/D转换器｡对于不包含直流信息的应用,这种驱动ADCs的方法很有用｡

  RISO电阻在电路中起隔离作用,对它的精心设计可使电路获得最优的频率响应｡

  3.2 用THS4302驱动电容负载

  对运算放大器来说,电容负载是一种最苛刻､也是很普通的负载条件｡通常,电容负载为A/D转换器的输入,包括推荐用来改善A/D 线性度的外部附加电容｡象THS4302这样的高速放大器,在输出端直接放置电容负载时,其稳定性很容易受到影响｡而且,在放大器带有开环输出电阻时,电容负载在信号路径上引入的附加极性会减少相位余量,因此,在设计时,如果主要考虑频率响应的平坦度､脉冲响应的真实度､或者失真度,最简单有效的方法是在放大器输出和电容负载之间插入一个串联隔离电阻RISO以将反馈回路和电容负载隔离｡

  当THS4302的寄生电容负载超过2pF时,其频率响应性能降低｡在实际应用时,长的PC板路径,非匹配电缆以及多个器件间的连接都很容易出现等效寄生电容负载超过2pF的情况｡因此,为了获得最优的频率响应,RISO电阻的取值尤为重要,并应尽可能地将电阻RISO安装在靠近THS4302的输出端｡图5所示为一组THS4302驱动不同电容负载时的频率响应曲线｡

  4､使用建议

  THS4302具有2.4GHz的频带和5倍的电压增益,为了获得最优的AC性能,下面给出一些关于电源退耦和版图设计方面的建议｡

  (1)尽可能地将退耦电容放置在靠近电源输入端,以减小电源到地的电感｡推荐使用与器件电源脚宽度差不多的电源线来连接退耦电容,并用3个或更多的孔将电容连接到地平面｡

  (2)将容值小的电容优先放置在最接近器件的位置｡

  (3)固态电源平面的四周到地平面之间要慎用高频退耦电容,以避免PCB出现自激｡

  (4)为了获得超过2 GHz的最佳传输特性,建议旁路电容的排列采用评估板上的排列方式｡30.1Ω电阻与0.1μF电容串联可降低并联集总元件的谐振Q值｡其中包括0.1μF和47pF电容和放大器的电源输入电容｡

  (5)将信号输入/输出脚到交流地的寄生电容应减到最小｡

  不管怎样,如果在I/O端使用传输线,匹配电阻应尽可能地接近器件｡除非使用了传输线,否则,输出端和同相输入端的寄生电容会与负载和源阻抗一起,不自觉地对带宽产生限制｡为了降低不必要的电容,地平面或电源平面应沿着信号I/O脚的周围断开,以形成一个窗口｡

  (6)将电源脚到高频0.1μF退耦电容器的距离减到最小?<0.25”?;

  设计的地平面和电源平面不尽远离信号I/O脚,以避免使用窄的电源和地线,达到减小引脚和退耦电容间电感的目的｡

  (7) 仔细选择和放置外部元件以保护THS4302的高频性能｡电阻应选择低电抗类型的｡表贴电阻的工作特性较好,可进行高密度设计｡此外,还应保持PC板上的连线尽可能地短｡

  (8)与其它宽带元件间应短线直接连接或使用板上传输线｡ 实际上,THS4302内部已经产生有2pF的寄生负载｡因此,随着信号增益的增加,在没有隔离电阻的情况下,也可以驱动更大的寄生电容负载｡也就是说,如果实际要求的走线较长,那么,也可以采用6dB固有信号损耗的双端传输线,当然还可以采用微带设计技术实现阻抗匹配传输线｡

  (9)像THS4302和THS4303这样的高速器件,一般不推荐使用插座｡

  (10)应充分利用PowerPAD来获得最佳的温度性能｡