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如何选择放大器芯片
如何正确地选择运算放大器
摘要:实现了一种全集成可变带宽中频宽带低通滤波器,讨论分析了跨导放大器-电容(OTA—C)连续时间型滤波器的结构、设计和具体实现,使用外部可编程电路对所设计滤波器带宽进行控制,并利用ADS软件进行电路设计和仿真验证。仿真结果表明,该滤波器带宽的可调范围为1~26 MHz,阻带抑制率大于35 dB,带内波纹小于0.5 dB,采用1.8 V电源,TSMC 0.18μm CMOS工艺库仿真,功耗小于21 mW,频响曲线接近理想状态。
现代电子工业的趋势是集成更多的功能到尽可能小巧的外形中,这已经不是什么秘密。移动电话就是这样的实例。当今许多生产商将MP3播放器、数码相机甚至卫星电视功能集成在移动电话里。过去几年,该市场已经取得了巨大的发展,并且仍在快速扩展。
这些产品的设计周期通常较短,测试比实际设计耗费更长的时间(设计大约需要4个月,测试需要6个月)。为此,设计师必须谨慎选择器件,以避免对最终的产品进行反复修改和导致延误。
下文将重点说明一些有用的设计技术、简短的计算和通用的评估方法,以帮助设计师更好地进行评估。
在便携电子领域,设计师基于多种因素(尺寸、成本和性能),利用他们的专业知识和最佳判断来选择器件。但这些因素通常需要进行权衡,设计师必须依据所需的最终产品谨慎选择元件。几乎与其它行业一样,便携市场,特别是移动电话市场,通常会同时提供高端(多功能)和低端(廉价)产品。
移动电话主板包括不同的元件,如运算放大器、音频放大器及前置放大器、数据转换器和ASIC等。选择运算放大器之前,设计师必须考虑封装选项,以及更小的封装是否会使性能降低。尽管在便携产品领域小型封装很受欢迎,但小型封装可能会给设计师带来麻烦和问题。采用塑料封装形式的运算放大器,譬如SC70,往往不能达到与SOIC或MSOP封装对应产品相同的性能。微型芯片级封装(CSP)(这实质上是裸片),暴露于光线下,输入偏流可能发生数百量级的偏移。该封装形式也容易在组装期间发生破裂。
哪些参数最重要?
在电池供电的应用领域—特别是PDA和移动电话,由于电池电压会随着干扰而下降,因此应选择PSRR性能好(~80dB)的运算放大器。此外,要注意高增益配置,这是因为耦合到运放中的噪声将导致噪声电平升高。电阻器的选择也十分关键,更大的阻值会产生更高的噪声。设计师可以利用估算约翰逊噪声(Johnson noise)或电阻噪声,这里R的单位是K欧姆,因此100K欧姆电阻产生大约40nV噪声!
如果运用多个运算放大器,减少输出噪声,这里n是使用的放大器数量。对于LMV651而言,输出噪声将减少到大约12nV此外设计师必须考虑限制带宽以使噪声最小:设计师可以将一个小电容与反馈电阻并联使用,借此降低噪声。
运算放大器的选择也取决于其它的器件。设计师面对的一个普遍挑战是为模数转换器(ADC)选择合适的运算放大器。尽管市场上有许多类型的数据转换器,但是运算放大器和模数转换器之间的匹配规则却不一样,设计师在做出选择之前必须认真考虑某些准则。
大致浏览两种器件的数据手册将提供有用的信息,但这还不够。首先,挑选供电电压相同的运算放大器和模数转换器。然后选择THD+N小的运算放大器。如果不能查找到失真数据,就查看输出阻抗:输出阻抗小的运算放大器通常意味着更小的THD。速度是另外一个必须考虑的参数,尽管更快的运算放大器速度用起来很舒服,但必须考虑一些折衷因素,譬如更高的功率和偶尔的不稳定。
根据选择的ADC,设计师应选择至少为ADC取样率50倍速度的放大器。转换速率也可能是一个限制因素,设计师可以根据2?fVp进行计算,这里f是输入信号频率,Vp是最大输出摆幅。例如,频率为400kHz的100mV输入信号(增益为10)要求放大器的转换速率至少为2.5V/μs。
一旦确定了这些基本参数,设计师必须考虑稳定时间,该参数可能会产生误导。大多数制造厂商规定运算放大器的稳定时间在特定输入电压的0.1%或0.01%范围内。如果设计要求更高的精度,例如16位,那么就需要满量程0.0015%范围的参数。解决该问题的一个方法是利用下面的公式,基于模数转换器的精度来估计运算放大器的稳定时间:
这里,N是位数,f是放大器的开环带宽。
例如增益为10的运算放大器,如LMV651,精确度为12位时,稳定时间大约为1.4μs;精度为16位时,稳定时间是1.65μs。该公式只是一个近似算式,没有考虑到杂散电容、主板电感或模数转换器的输入电容,这些因素都将影响稳定时间。
做出最终的选择之前,最重要的的指标之一是运算放大器的噪声,噪声较高的放大器会降低模数转换器的精度,给系统带来显著误差。开始计算电路总输出噪声之前(这可能是一项十分冗长乏味的工作),最好先估计一下。这样设计师就知道是否应继续使用所选的
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