互阻抗放大器的评估

作者：Xavier Ramus
在本博文中，我想采用不同方法描述通过工作台对 OPA857 进行特性描述时遇到的技术挑战。该器件是一款具有两个内部增益设置的专用互阻抗放大器 (tiA)，工作电源为 +3.3V，支持 100MHz 最小带宽。
除了高增益（5kΩ 和 20kΩ）与高带宽（在整个温度及工艺变化中大于 100MHz）组合外，OPA857 最具挑战性的特性是需要低输入电容，包括电路板寄生在内的该需求是提供低于 1.5pF 的总输入电容。正如阐明的那样，1.5pF 总输入电容不包括封装或晶体管寄生。之所以选择这个值，是因为驱动 OPA857 的光电二极管偏置电压非常高，支持介于 0.5pF 至 0.7pF 之间的光电二极管电容贡献，因此留给外部寄生电容的空间是 0.8pF 至 1pF。
OPA857 介绍
OPA857 是一款具有伪差分输出的专用互阻抗放大器。方框图见下图 1。



本图中有三个不同的块：

• 互阻抗块
• 参考电压块
• 电流镜块（测试块）
  

互阻抗块在考虑 500Ω 负载引起的衰减时具有两种可选增益配置：4.5kΩ 与 18.2kΩ。由于只有一个开关，RF2 与 RF1 的并联组合是 4.5kΩ。原理图简化，可确保清晰表达结果值。
互阻抗块可在两种增益配置下提供出色的带宽(大于 100MHz)，在整个带宽范围内提供尽可能低的 RMS 噪声。
参考电压块有几种用途：

• 向输入提供足够的 DC 参考电压。
• 在输出端提供 DC 参考，允许 DC 耦合解决方案支持全差分信号链，其不仅可提供 CMRR，而且还可将 PSRR 问题转化为 CMRR。
  

引脚分配提供的第三个块旨在简化 OPA857 的特性描述与评估。在具体介绍器件特性及其描述方法之前，我们先来看一下预期测量性能。要求之一是尽可能直接在目标应用电路中测量。

• 频率响应
• 脉冲响应
• 谐波失真
  

参考块
参考块设定为电源的 5/9。因而对于 3.3V 电源而言，参考电压是 1.8V。高带宽可为高频率实现低输出阻抗。参考电压然后可提供给两条路径。通向输出 OUTN 的路径具有 25Ω 串联电阻器。另一条路径具有通向 TIA 非反相输入端的串联 RC。RC 滤波器用来最大程度降低来自缓冲器输入端参考电压的高频率噪声。
TIA 块
TIA 块的放大器有一个 A 类输出级，可限制通过任何途径将 1.83V 共模电压向下摆动至电轨。由于为实现保护及更好过载恢复添加了内部保护，因此摆幅接近电轨的值不可能超过 0.6V。输出端仍有 1.2V 的动态摆幅范围对应于 20kΩ 增益下 60uA 最大输入电流和 5kΩ 增益下 240uA 最大输入电流。
每个输出端还有 25Ω 的串联电阻，用于限制加载放大器体验，但也会降低增益。在 500Ω 差分负载下，负载引起的衰减是 0.83dB，其可影响整体互阻抗增益。由于负载衰减原因，20kΩ 互阻抗增益可降低至 18.2kΩ 的有效值，而 5kΩ 则可降低至 4.5kΩ。
带宽注意事项
由于其固定互阻抗配置及相关内部补偿原因，电源输入电容必须如前所述保持为低。标准设计目标是 1.5pF，包括电路板寄生电容。不推荐在 5kΩ 增益下为得到最大平坦度使输入电容超过 5pF。在 5pF 输入电容下，OPA857 在 20kΩ 增益下将达到 1.5dB 峰值。见下图 2a) 和 2b)：


还要注意：带宽会随负载变化而变化：负载越大，带宽越低。如下图 3 所示。


现在我们回顾了放大器的预期性能，我们将在下篇博客文章中介绍测量的实际实施。