德州儀器可編程差分放大器 絕非一般的可變增益放大器

德州儀器可編程差分放大器 絕非一般的可變增益放大器

灰色天空 發表於 2012-09-26 17:19:51

　　日前，德州儀器 (TI) 宣布推出全球首款可編程差分放大器 (PDA)LMH6881和LMH6882。這款PDA整合了全差分放大器 (FDA) 與數字可變增益放大器 (DVGA) 的優勢，可在 6dB 至 26dB 的增益範圍內提供優化的噪聲、失真與帶寬性能，大大簡化了工程師採用差分放大器進行的設計。

　　通過TI高能效模擬和微處理器產品線華南區現場應用支持總監楊毅了解到可編程差分放大器 (PDA)和傳統的放大器在基站應用中的本質區別以及給客戶帶來的優勢。

　　楊毅總監現任德州儀器(TI)高效能模擬和微處理器產品線華南區現場應用支持總監。其團隊負責TI所有電源，信號鏈，MCU產品在深圳和華南區的技術支持。

　　楊總監表示：以前的基站基本上都是模擬的，現在數據轉換器數位化的程度日益增高，3G通信、4G通信，微波通信，超聲等全是數字的，為適應這些應用的要求就需要一個非常好的ADC。這款PDA是用在ADC的前端，由於其設計靈活，可在不同應用中無需為不同增益設置調試設計，其次是無需外部電阻，在降低BOM成本的同時也消除電阻不匹配帶來的誤差等優勢，在實際應用中為客戶帶來了巨大的優勢。

　　大家都知道差分放大器在放大時會有兩個輸入、兩個輸出和一個差分，放大器構造中會有一個輸入電阻，一個反饋電阻來調整增益，如果客戶在系統中間輸入一個小信號，就需要將ADC調到滿量程，這樣ADC才有更好的精度。增益設得最大的一個做法是必須要調整這兩個電阻，讓增益倍數得到調整。

　　楊毅總監講道：如果是個小信號，0.1V輸入的時候要滿量程有可能達到26dB的放大，但是如果輸入信號不是0.1V呢?要放大的一個做法是設計中必須要改變增益電阻。這樣就帶給客戶一個問題，這些電阻本身，如果做到非常好的匹配需要千分之一的電阻或者更高，這兩個電阻需要非常好地匹配，每次增益調整的時候都需要做人為的重新選擇，選擇我的電阻值，對客戶來講是非常不方便的。

　　那麼我們需要解決哪些問題呢?全差分放大器(FDA)的設計中有許多難題，除了每次更改增益設置都需要成型設計和調試外，總體性能取決於外部電阻的精度，外部電阻會增加成本加大板級空間，帶寬可能與增益變化矛盾等問題都是FDA設計中需要考慮與解決的。

　　增益和帶寬變化矛盾

　　放大器的帶寬增益就是常數，帶寬會隨著增益變大而變化。差分放大器很多是電流反饋，和回流電路不同，現在3G、4G在無線通信裡的帶寬顯著增加，如果用同樣的放大器，信號帶寬增加了，那麼增益就必須下降，所以就會面臨著增益和帶寬的矛盾。

　　可變增益放大器

　　在整個射頻通路或模擬前端裡，在ADC之前有時會需要將小信號通過低噪化放大，然後再進行濾波，再進行聲表波的濾波，但是經過上述過程處理可能會出現另外一個問題，楊總監舉例：「比如現在有個100M信號的時候，除掉差分放大器的另外一個選擇就是數字可變增益放大器，而使用差分放大器是需要去調節電阻來改變增益的，還有一種方式是用數字的方式，但是會面臨一個問題，如果隨著帶寬發生變化，輸入信號幅度也會發生變化，就需要調整增益，信號增益變小，使得輸入信號變大，那麼就需要把放大器噪聲增益減小。結果就是噪聲係數會顯著提升。噪聲回評基本是線性的，增益越大，噪聲越小，但增益小，噪聲顯著增加，那麼整個系統信噪比會不好。

　　上述總結了全差分放大器(FDA)的設計難題，第一類是傳統的全差分放大器通過外圍的電阻來調整;第二類是通過數字的方式來調整低位階的數字可變增益放大器，但是會有增益和噪聲係數的曲線，第三類就是可變可編程差分放大器，這也是TI推出的全球首款可編程差分放大器，它具有以下幾個特點：

　　1、把電路這兩部分集成在一起，它可以編程，通過數字的方式調整我的增益。

　　2、它把增益電阻進行內部的集成，沒外圍電阻，可數字編程。

　　3、LMH6881 與 LMH6882 中的可編程增益控制可消除對增益設置電阻器的需求以及其相關不匹配誤差，從而可提高系統穩健性。

　　絕非一般的可變增益放大器

　　傳統的DVGA會隨著增益下降噪聲係數會顯著提升，TI這款PDA可在 6dB 至 26dB 的增益範圍內提供優化的噪聲、失真與帶寬性能，在增益下降6db的情況下，噪聲係數卻沒什麼變化，它和傳統的低位階去比差不多趕上10dB的噪聲，理論上曲線是平的，噪聲係數會更好。

　　對差分放大器來講，噪聲係數取決於外部電阻，它和增益發生相應的變化，增益減小，噪聲增加。如圖所示：DVGA隨著電壓增益從最大增益逐dB下降，所以噪聲值就會佔得特別厲害。而從外部電阻角度來講PDA是集成的，所以不需要外部電阻。

　　PDA=FDA與DVGA的優勢集合

 

　　對差分放大器來講，外部需要四個高精度的差分電阻。電阻之間必須非常好地匹配，溫度係數、精度都要非常得匹配。DVGA也不需要外部電阻，可以看到這部分帶寬，6881和6882在整個增益範圍之內6—26dB帶寬基本上保持很低。差分放大器增益增大，帶寬降低它基本維持帶寬增益級的概念。DVGA也基本保持恆定，它是數字的方式，因此，我們這款產品是結合了這兩個的優點把它合成在一起。

　　總結：

　　可編程差分放大器(PDA)LMH6881與LMH6882是德州儀器推出的全球首款PDA，它整合了FDA和DVGA的優勢，最大程度的滿足了客戶的需求，簡化了工程師快速通過增益修改設計，充分滿足醫療、測量測試、軍事、無線通信以及微波回程等應用需求。

　　最後楊總監為我們總結了TI這款可編程差分放大器的優勢之處

　　1、2.4GHz小信號帶寬，帶寬非常寬。

　　2、在6dB—26dB增益範圍之內，二次諧波失真，這樣的線路在整個帶寬之內基本都可以保持，這是比較特別的地方。

　　3、準確的增益控制，0.25步進，增益的匹配度、誤差大概就是0.2

　　4、不需要外部電阻，成本空間也可以。

　　5、如果要分很多檔，有很多增益，用這款晶片不需要重新設計它，非常方便使用。
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