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利用陷波器减小放大器频响中的尖峰,提高增益平坦度

作者:[charly.el-khoury@analog.com]

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          ADA4817FastFET™运算放大器实现了1GHz的带宽 , 输入噪声低至4-nV/√Hz , 从而使其成为同类器件中速度最快且噪声最低的放大器。ADA4817单位增益稳定,其高频极点增加了增益带宽积(从高增益时的410MHz到单位增益时的1GHz),不过此极点同时也减小了相位裕度,引起了频率响应中不期望的尖峰以及阶跃响应中的振铃。在此放大器的同相输入端加入一个RLC分立器件组成的陷波器,在保证高带宽和高输入阻抗的同时,可大大减小尖峰和过冲,提高增益平坦度。

        RLC陷波器如图1所示,它利用了放大器的输入特性,产生了所期望的结果。陷波器由串联的LC与电阻R并联而构成,成功地补偿了由放大器和寄生电容所引起的尖峰。采用此陷波器后,3dB带宽达到1GHz,0.1dB增益平坦度高达250MHz,而单位增益时的尖峰小于1dB。

RLC notch filter

图1:RLC陷波器

        其中,电阻、电容和电感的选取是非常关键的。ADA4817的输入阻抗等效于一个接地的1.4pF电容器。图2所示为包含放大器等效输入阻抗的RLC电路。接下来将对此电路进行深入分析,以得出传递函数 equation

Notch filter and amplifier input impedance

图2:陷波器和放大器输入阻抗

equation

        式中:C1为放大器输入阻抗,且ω = 2πf。图3为方程式2中C1=1.4 pF时的幅频响应。其中,L和C的值决定传递函数穿越0dB的位置,而R值则决定着陷波器凹槽的深度。

Various RLC notches

图3:几种不同RLC的陷波器

        为了补偿放大器的尖峰,增加放大器和滤波器特定的频率响应,需要通过调整R、L和C的值来获得最平坦的频率响应,这可以通过Excel或者最常见的仿真软件来实现。可以形成凹槽来减小尖峰,增加平坦度,并减小过冲。图4为总体电路设计,其中陷波器连接到同相输入端。

Overall circuit

图4:带陷波器的总体电路

        对于FET输入型的ADA4817而言,最重要的特性也许就是超低的输入偏置电流,加入陷波器后能够继续保持这一特性,同时还维持放大器的低失真和低噪声性能。图5所示为ADA4817带有陷波器和不带陷波器两种情况下频率响应的比较。结果显示,带宽不变,而平坦度提高,尖峰变小。

With and without RLC

图5:带有和不带RLC陷波器两种情况的频率响应比较

        图6给出了ADA4817在带有和不带RLC陷波器两种情况下的阶跃响应。在实现其他类型的FET输入放大器的频率响应时也可以采用与此相同的设计。该设计保持了FET输入的高输入阻抗,但在这一指标不是一项需求时,可以将RLC陷波器跨接到放大器与地之间。

Pulse response with and without RLC

图6:带有和不带RLC陷波器两种情况下的脉冲响应

结论
        在ADA4817的FET输入运算放大器之前加入一个由分立器件构成的RLC陷波器可以大大地改善其性能。利用这种新奇而又简单的技术可减小尖峰,提高增益平坦度,还可减小过冲,所有这些好处都是在保持原有1GHz带宽(-3dB)不变的条件下获得的。这个鲁棒且简单的解决方案虽然增加了3个新元件,但在平坦的频率响应、低过冲以及性能更为重要时,这些新元件所增加的成本是值得的。

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