陷波滤波器降低放大器峰值并提高增益平坦度

ADA4817 FastFET™ 运算放大器可以实现 1 GHz 的带宽,而输入噪声仅为 4 nV/√Hz,这使得它成为同类产品中速度最快且噪声最低的放大器。虽然 ADA4817 的单位增益是稳定的,但高频极将其增益带宽积从 410 MHz(高增益)增加到 1 GHz(单位增益)。不幸的是,该高频极降低了相位裕度,造成不必要的频率响应峰值和阶跃响应振铃。通过在放大器的同相输入中添加离散 RLC 陷波滤波器,不仅可以保持高带宽和输入阻抗,同时还能大幅降低峰值、提高增益平坦度和减少过冲。

RLC 陷波滤波器(如图 1 所示)利用放大器的输入特性来产生所需的结果。R 和串联 LC 一起形成的陷波可以调整形状,从而补偿由放大器和寄生电容产生的峰值。结果是 1 GHz 带宽 (−3 dB)、250 MHz 增益平坦度 (0.1 dB) 和峰值小于 1-dB(增益 = 1 时)。

图 1
图 1. RLC 陷波滤波器。

电阻器、电容器和电感器的选择是至关重要的。ADA4817 的输入阻抗看起来像是一个接地的 1.4-pF 电容器。图 2 显示了具有放大器输入阻抗的 RLC 电路。此电路将被深入分析以生成传递函数 方程式 0

图 2
图 2. 陷波滤波器和放大器输入阻抗。
方程式 1

其中 C1 是放大器输入阻抗,并且 ω = 2πf。图 3 显示了使用方程式 2(其中 C1=1.4 pF)时的幅值响应。LC 的值决定传递函数跨越 0 dB 的位置。R 的值决定陷波的深度。

图 3
图 3. 多种不同的 RLC 陷波。

为了补偿放大器的峰值,需要添加放大器和滤波器的单独频率响应,同时调节 RLC 以实现最平坦的整体响应。为此,可以使用 Excel 或大多数电路模拟软件。陷波可以调整形状,以减少峰值、提高平坦度和减少过冲。图 4 显示了整体设计,其中陷波连接到同相输入。

图 4
图 4. 整体电路。

或许,FET 输入 ADA4817 的最重要特性是其极低的输入偏置电流。陷波电路不仅保持了这一特性,同时还保留了放大器的低失真和噪声性能。图 5 显示了具有和不具有陷波滤波器的 ADA4817 的频率响应。请注意,它不仅保持了带宽,同时还提高了平坦度并降低了峰值。

图 5
图 5. 具有和不具有 RLC。

图 6 显示了具有和不具有 RLC 电路的 ADA4817 的阶跃响应。此外,同样的设计还可用于调整其他 FET 输入放大器的频率响应的形状。此设计保持了 FET 输入的高输入阻抗,但可以将接地的 RLC 与放大器结合使用(并非必须)。

图 6
图 6. 具有和不具有 RLC 时的脉冲响应。

结论

在 ADA4817 FET 输入运算放大器的前面添加离散 RLC 陷波滤波器可以显著改善其性能。这种新颖但简单的技术不仅可以降低峰值、提高增益平坦度和减少对冲,同时还—保留了初始的 1 GHz 带宽 (–3 dB)。虽然这种强大且低成本的解决方案增加了三个新元件,但如果平坦的频率响应、较低的对冲和增强的性能对用户很重要,则这一额外的成本是值得的。

作者

Charly-El-Khoury

Charly El-Khoury

Charly El-Khoury是ADI公司高速产品部门的一名应用工程师。2007年2月加入ADI公司,负责低噪声、低失真放大器和精密ADC驱动器产品。他拥有伍斯特理工学院的电气与计算机工程(MSECE)学硕士学位。