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『』您真的能通过运算放大器实现ppm精度吗？( 六 )


『』您真的能通过运算放大器实现ppm精度吗？
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图9.负载和电源电流环路
『』您真的能通过运算放大器实现ppm精度吗？
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图10.复合放大器与单一放大器失真测试
从布局角度来看 ， 了解输出电流环路的路径非常重要 ， 如图9所示 。
图9左侧的图表显示了驱动至负载的正电源电流 ， 然后又通过地面回归负载 。 在整个接地路径中可能存在压降 ， 以致于偶谐波电源电流的电压从信号源降至输出 ， 从反馈分频器降至输出或输入地 。 不过 ， 此地非彼地 。 图9右侧显示了一种传输电源电流的更好方式 。 电源电流从输入和反馈节点传出 。
在高于100 kHz的更高频率下 ， 电源线路的磁辐射可能成为失真来源 。 电源的偶谐波电流可通过磁性方式耦合到反馈网络的输入 ， 从而使失真随频率大幅增加 。 在这些频率之下 ， 审慎的布局至关重要 。 有些放大器采用的是非标准引脚；它们的电源引脚远离输入 ， 有些甚至会在输入侧提供额外的输出端口 ， 以避免磁干扰 。
减少负载为主的失真
在高负载环境下 ， 许多运算放大器的输出级都会成为主要的失真来源 。 您可以通过一些技巧来改善负载失真 。 其一 ， 使用复合放大器 ， 即一个放大器驱动输出 ， 另一个放大器进行控制 ， 如图10所示 。
此电路通过LTspice仿真设计实现 。 LTC6240和LT1395的spice模型文件中包含失真回放功能的宏模型 。 大多数宏模型都不会尝试显示失真情况 ， 即使显示 ， 仿真结果也可能不准确 。 该工具（LTspice）可查看宏模型的文本文件 ， 确实如此 ， 这些宏模型的失真模拟效果非常不错 。
图10右侧是LTC6240 ， 提供的增益为2 ， 驱动电阻为100 Ω ， 对于该放大器而言负载较大 。 图10左侧是一款复合放大器 ， 输入端另设一个LTC6240 ， 并有一款良好的宽带电流反馈放大器(CFA)作为独立放大器来驱动相同的负载 。 复合放大器的理念是 ， 输出运算放大器已具备适度的低失真 ， 并且通过输入放大器在频率范围内的环路增益可进一步减少该失真 。 对于独立放大器和复合放大器 ， 我们的闭环增益都为2 ， 但在复合放大器中 ， 可以对LT1395单独设置其自身的增益（通过Rf1和Rg1设置为4） ， 以降低控制放大器的输出摆幅 。 由于输入引发的失真随输出振幅的平方增加 ， 由此可进一步减少控制运算放大器的失真 。
图11显示了10 kHz、4 V p-p输出的频谱 。
谐波失真的计算方式为：每个谐波电平(dB)减去基波电平（在10 kHz频率下） 。 如图底部所示 ， 输入信号的失真约为–163 dBc ， 非常好 ， 足以让人相信模拟效果 。 V(out2)来自于独立的LTC6240 ， 失真为–78 dBc 。 也不错 ， 但当然没有达到ppm级 。
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图11.复合放大器和常规放大器的失真频谱
图11顶部显示了复合放大器的失真 ， –135 dBc ， 相当出色 。 这么好的结果 ， 我们能否相信？为了加以验证 ， 中间部分显示了原理图上节点的失真 。 如果复合放大器输出端的失真接近于零 ， 但输出放大器本身的失真确实有限 ， 那么反馈过程会在其输入端（中间）为输出放大器失真设置负值 。 中间部分的失真为–92 dBc ， 这实际上与LT1395数据手册的曲线匹配！我仍会想 ， 如果宏模型中体现出物理LTC6240输入CMRR或ICMR曲率 ， 它们可能还会增加实际的电路失真 。
遗憾的是 ， 很少有宏模型包含失真 。 您必须阅读宏模型.cir文件的标题来查看其是否受支持 。 要了解失真是否与数据手册的曲线匹配 ， 需要进行一些模拟 。
复合放大器的补偿可能有点棘手 ， 但在我们的示例中 ， 第二个放大器的带宽比输入放大器高出10倍以上 ， 只需少许Cf即可提供电路补偿 。 在此补偿架构中 ， 如果控制放大器的总体增益中包括BW的带宽 ， 那么输出放大器的带宽应>3 × BW ， 而总体带宽应保守设置为约等于BW/3 。


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