對增益大于等于10時保持穩(wěn)定的放大器進行補償以在較低增益下工作
本文說明如何補償一個增益為9倍以上時通常保持穩(wěn)定的放大器（如 ADA4895-2），以使其在增益低至2時工作，提供比等效內部補償放大器更高的壓擺率和更快的建立時間。本文將提出兩種方法并突出每種電路的優(yōu)缺點。
ADA4895-2與ADA4896-2、ADA4897-1和ADA4897-2同屬一個系列，是一款雙通道、低噪聲、高速、電壓反饋、軌到軌輸出型放大器。它在增益為10時可保持穩(wěn)定，增益帶寬積為1.5 GHz，壓擺率為940 V/µs，0.1%建立時間為26 ns，10 Hz時1/f噪聲為2 nV/√Hz，寬帶噪聲為1 nV/√Hz，2 MHz時無雜散動態(tài)范圍為−72 dBc。這款器件采用3 V至10 V電源供電，每個放大器的靜態(tài)功耗為3 µA。
圖1. 方法1：補償ADA4895-2實現(xiàn)增益為+2時保持穩(wěn)定
方法1如圖1所示，在反相輸入端增加一個簡單的RC電路（RC = 28 Ω 且 CC = 56 pF），且反饋電阻并聯(lián)一個反饋電容(CF = 5 pF)。該電路在高頻時的噪聲增益為+9，在諧振頻率(1/2πRCCC = 100 MHz)以下的頻率時噪聲增益為+2。雖然高頻時的噪聲增益接近+9，但只要由RO 和 CL構成的低通濾波器能夠阻隔高頻成分，總輸出噪聲就能保持在低水平。這種情況下，放大器可以在增益為+2時工作，而總輸出噪聲則非常低(3.9 nV/√Hz)。
可以擴展這種配置以支持+2到+9之間的任何增益。表1顯示了各種增益設置的元件值和總寬帶輸出噪聲。
表1. 用于增益低于+10的元件值，RT = RO = 49.9 Ω
增益
RC (Ω)
CC (pF)
RG (Ω)
RF (Ω)
CL (pF)
總輸出噪聲1 (nV/√Hz)
+2
28.6
56
200
200
330
3.88
+3
33.3
56
100
200
270
5.24
+4
40
56
66.7
200
200
6.60
+5
50
56
50
200
150
7.96
+6
66.7
40
40
200
150
9.32
+7
113
30
37.5
226
120
10.82
+8
225
20
32.1
226
120
12.18
+9
N/A
N/A
31.1
249
100
13.67
1完整的總噪聲公式見下文。
圖2. 方法2：補償ADA4895-2實現(xiàn)增益為+2時保持穩(wěn)定
方法2如圖2所示，在反相輸入端與同相輸入端之間增加一個電阻(R1 = 28 Ω)，將放大器的噪聲增益提高到+9。R1上無電壓，因而無電流通過其中。因此，R1與同相輸入端并聯(lián)所得的輸入阻抗仍然非常高。輸入至輸出信號增益等于1 + RF/RG，本例中即為+2。補償電路未使用電容，因而不存在頻率依賴性。這意味著，與第一種方法相比，低頻時的寬帶輸出噪聲始終較高。
可以擴展這種配置以支持+2到+9之間的任何增益。表2顯示了各種增益設置的元件值和總寬帶輸出噪聲。
表2. 用于增益低于+10的元件值，RT = RO = 49.9 Ω, CL = 120 pF
增益
R1 (Ω)
RG (Ω)
RF (Ω)
總輸出噪聲1 (nV/√Hz)
+2
28.6
200
200
13.39
+3
33.3
100
200
13.39
+4
40
66.5
200
13.39
+5
49.9
49.9
200
13.39
+6
66.5
40
200
13.39
+7
113
37.4
226
13.53
+8
225
32.4
226
13.53
+9
N/A
30.9
249
13.67
1完整的總噪聲公式見下文。
圖3顯示了圖1和圖2所示電路的小信號和大信號頻率響應，采用50 Ω分析儀，G = +5 V/V或14 dB。如圖所示，兩個電路均非常穩(wěn)定，峰化略高于1 dB。只要使用表1和表2中的值，增益范圍在+2至+9時均可保持穩(wěn)定。
為降低總輸出噪聲，可以調整輸出端的低通RC濾波器以將此電路的帶寬降至50 MHz或更低，具體取決于應用。
圖3. G = +5時的頻率響應
為什么方法1中的輸出噪聲優(yōu)于方法2中的輸出噪聲？
方法1中的輸出噪聲遠低于方法2，尤其是在增益低于+7時，這是因為方法1中的噪聲增益僅在高頻時較高。高頻時，可以利用低通濾波器來消除高頻噪聲成分。但在方法2中，放大器始終在噪聲增益為+9時工作，即便在低頻時亦如此。因此，總輸出噪聲不隨增益而變化，如表2所示。下面是這兩種方法對應的公式（注意：RE = RG//R1）。
方法1的公式：總輸出噪聲=
方法2的公式：總輸出噪聲=
每種方法的優(yōu)缺點
我們給出了兩種不同的方法，說明如何利用若干外部元件來使高增益穩(wěn)定型放大器能在低增益下穩(wěn)定地工作。與方法2相比，方法1采用了更多的無源元件，因而可能會占用更多的電路板空間，成本更高。作為回報，第一種電路的總輸出噪聲低于第二種電路。因此，選擇何種電路取決于具體應用及其要求的規(guī)格。
如圖4所示，與增益大于等于+1時保持穩(wěn)定的內部補償放大器ADA4897-2相比，去補償?shù)腁DA4895-2提供更高的壓擺率（300 V/µs對100 V/µs）和更快的建立時間。隨著電路增益提高，這些優(yōu)勢還會擴大。
圖4. G = +2時對比補償與去補償放大器
結論
ADA4895-2去補償放大器在增益大于9時保持穩(wěn)定，可以通過補償來實現(xiàn)低增益工作。本文提出的兩種方法通過提高復雜度來降低總寬帶噪聲。與增益大于等于+1時保持穩(wěn)定的內部補償放大器ADA4897-2相比，兩種方法均能提供更高的壓擺率和更快的建立時間。
作者簡介
Charly El-Khoury [charly.el-khoury@analog.com] 高速放大器部門的應用工程師。他于2006年畢業(yè)于伍斯特理工學院(WPI)，獲得電氣與計算機工程(ECE)碩士學位，之后加入ADI公司。
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