《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置:首頁 > 測試測量 > 業(yè)界動態(tài) > ATE設(shè)備中高速數(shù)據(jù)采集前端運(yùn)算放大器的選擇

ATE設(shè)備中高速數(shù)據(jù)采集前端運(yùn)算放大器的選擇

2009-07-03
作者:Maurizio Gavardo

  摘? 要: 自動測試設(shè)備(ATE)行業(yè)中的混合信號儀器通常指數(shù)字采集器,這些儀器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并做進(jìn)一步處理。在高頻領(lǐng)域,這種儀器傾向于使用16位分辨率,采樣頻率為100 MHz甚至更高。
  關(guān)鍵詞: 數(shù)據(jù)采集; 運(yùn)算放大器; ATE; A/D轉(zhuǎn)換器

?

  在不同輸入量程下保證相對穩(wěn)定的模擬信號帶寬是某些儀器設(shè)計(jì)所面臨的挑戰(zhàn),典型輸入量程變化范圍為4 V~250 mV,增量為6 dB(4 V、2 V、1 V、0.5 V、0.250 V),無論輸入量程如何選擇都應(yīng)保證模擬采集鏈具有相同的輸入模擬信號帶寬(幾百兆赫茲),模擬鏈中輸入量程的選擇通常采用電流反饋運(yùn)算放大器、精密電阻、繼電器或模擬開關(guān)。
  隨著輸入電壓量程的變化,運(yùn)算放大器表現(xiàn)出不同的增益或衰減。因此,設(shè)計(jì)人員在選擇運(yùn)算放大器時必須保證不同增益配置下,運(yùn)算放大器具有固定的模擬信號帶寬。本文解釋了在這類應(yīng)用中選擇電流反饋運(yùn)算放大器的原因,并提供了一個在多量程中保持固定模擬信號帶寬的典型電路拓?fù)?/a>。
1 電流反饋運(yùn)算放大器
  圖1給出了電流反饋運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路,并列出了同相配置下的閉環(huán)增益。在電流反饋運(yùn)算放大器的兩個輸入之間有一個單位增益緩沖器,使
反相端電壓跟隨同相端電壓。緩沖器在反相端口表現(xiàn)為低阻,運(yùn)算放大器在該輸入端口能夠檢測出微小的電流誤差,并通過互阻放大器將其傳送到輸出,內(nèi)部互阻Z(s)決定了所有運(yùn)放的主極點(diǎn)和高直流增益。反相放大器的開環(huán)增益為:

?


  開環(huán)增益取決于外部器件——反饋電阻Rf,電阻Rg在方程中并未出現(xiàn)。因?yàn)殚]環(huán)增益帶寬由開環(huán)增益極點(diǎn)決定,與Rg無關(guān),假定Z(s)有一個主極點(diǎn)并且運(yùn)算放大器為單位增益穩(wěn)定(所有極點(diǎn)頻率都高于放大器增益與X軸交點(diǎn)的頻率),開環(huán)增益方程為:
  

  圖2描繪了該方程,τ為運(yùn)算放大器主極點(diǎn)的時間常量,曲線20 logZ(f)和20 logRf之間的區(qū)域表示開環(huán)增益。閉環(huán)帶寬由這兩條曲線的交點(diǎn)頻率決定。減小反饋電阻Rf將增大閉環(huán)帶寬,但Rf過小時,頻率響應(yīng)中會增大過沖,這將減小相位裕量并加劇與運(yùn)算放大器高頻極點(diǎn)之間的相互影響。閉環(huán)增益為:
???

?


  讀者可能認(rèn)為電流反饋放大器和電壓反饋放大器一樣不具有固定的增益帶寬積。然而,如果Rg比反相輸入端阻抗高很多,可以通過改變Rg來改變放大器增益而不會影響放大器帶寬。
2 相關(guān)問題
  數(shù)字采集器對于測量DVD、DSL、手機(jī)、HDTV、機(jī)頂盒等設(shè)備的發(fā)展水平起著重要作用。數(shù)字采集器在ATE系統(tǒng)中通常用來采集直流到幾百兆赫茲的模擬信號,將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式以便數(shù)字信號處理器(DSP)進(jìn)行處理。高性能采集系統(tǒng)采用12位到16位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC),采樣頻率大約為100 MS/s,高分辨率可對HDTV、機(jī)頂盒等類似產(chǎn)品中的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)的線性度進(jìn)行精確測試。對數(shù)字采集器的要求是寬帶,即如果ADC采用欠采樣技術(shù),帶寬要接近甚至超過ADC的采樣率。
  另一方面,模擬帶寬還需要覆蓋非常低的頻率,甚至是直流。為了降低開發(fā)成本,測試工程師還希望用它測試窄寬器件。
  作為ATE數(shù)字采集器的一個基本功能,應(yīng)允許用戶選擇輸入電壓量程,能夠處理峰峰值4 V~250 mV甚至更低的典型輸入電壓范圍。具有上述性能的ADC(16位分辨率、100 MS/s采樣速率)的滿量程輸入電壓范圍峰峰值約為2 V~2.5 V,共模輸入范圍為1.5 V~3.5 V。數(shù)字采集器的模擬鏈路必須能夠提供一個可編程“比例因子”,該“比例因子”能夠適應(yīng)輸入到ADC的電壓量程。
  圖3為典型ATE數(shù)字采集器和被測器件(DUT)的框圖。淺灰色部分表示模擬輸入鏈,包括一個可選擇輸入量程的運(yùn)算放大器、抗混疊低通濾波器、全差分ADC驅(qū)動器。PMUPP表示用于開路/短路以及其他直流測試的引腳參數(shù)測量單元。深灰色表示數(shù)字電路部分:ADC、DSP以及測試系統(tǒng)和儀器之間的連接總線。

?


  假設(shè)ADC的差分輸入電壓范圍為峰峰值2 V,問題是:什么樣的電路拓?fù)湟约笆裁搭愋偷倪\(yùn)算放大器最適合輸入模擬鏈路的第一部分,放大器必須滿足寬輸入電壓范圍(4 V~250 mV差分),并將信號調(diào)節(jié)到ADC所要求的輸入范圍。不論如何,每個輸入量程選擇必須保證相同的模擬信號帶寬。
3 選擇最佳的運(yùn)算放大器及電路拓?fù)?/STRONG>
  本文采用的電路拓?fù)渚哂袔讉€關(guān)鍵優(yōu)勢。首先,采用電流反饋運(yùn)算放大器,增益變化時不影響帶寬。改變運(yùn)算放大器的增益可以改變輸入量程,增益的變化通過改變運(yùn)算放大器的Rg電阻實(shí)現(xiàn)。其次數(shù)字采集器的閉環(huán)帶寬、相位裕量和穩(wěn)定性不會受到影響,因?yàn)榉答侂娮鑂f的阻值沒有變化。這一點(diǎn)在下面的討論中將作進(jìn)一步的解釋。
  運(yùn)算放大器必須具有高輸入阻抗、可編程增益、差分輸入,增益變化時能夠保持固定帶寬、低噪聲和低失真等特性,滿足14 bit、16 bit ADC的線性要求,如表1所示。另外,共模抑制比和電源抑制比也是非常重要的特性。

?


  很難找到完全符合上述要求的集成運(yùn)算放大器,但可以搭建滿足要求的放大器:包括運(yùn)算放大器、精密電阻以及用于增益選擇的繼電器(或模擬開關(guān))。主要挑戰(zhàn)是運(yùn)算放大器的選擇以及電路拓?fù)涞倪x擇,它必須滿足在改變可編程增益時保持固定的數(shù)百兆赫茲的帶寬。表2列舉了與每個量程相關(guān)的運(yùn)算放大器的增益。


  圖3中,假設(shè)要求ADC具有2 V滿量程差分輸入,用單端到差分轉(zhuǎn)換放大器驅(qū)動(ADC驅(qū)動器),ADC驅(qū)動器和抗混疊濾波器一起提供2倍增益。因此,輸入放大器必須提供擺幅為1 V的單端輸出。為了避免在單個運(yùn)算放大器上配置0.25~4倍的增益范圍,電路拓?fù)鋺?yīng)該通過多級分配增益。這種如圖4所示的方案能夠盡量避免由于Rg電阻變化引起的閉環(huán)帶寬的變化。表3表示每個增益量程的開關(guān)狀態(tài)。


  輸入放大器U1 和 U2的增益可為單位增益或4倍增益。低噪聲、低失真的電流反饋放大器是最佳選擇,因?yàn)椋旱驮肼曋笜?biāo)非常重要,因?yàn)檫@個放大器是模擬鏈路的第一級。在鏈路初級增益可低至1。此外,低噪聲要求對于差分放大器U3也非常重要。共模抑制比依賴于U3(第二級),特別是電阻精度。這種電路拓?fù)湟笤谌魏屋斎肓砍滔卤3指咻斎胱杩埂?BR>  寬帶(幾百兆赫茲)指標(biāo)要求采用電流反饋放大器。雖然寬帶指標(biāo)并非這類器件的閃光點(diǎn),因?yàn)殡妷悍答伔糯笃饕材塬@得同等帶寬。主要原因是電流反饋運(yùn)算放大器在處理不同增益時能夠保持相同帶寬,這一特性對于輸入級放大器U1和U2尤其重要,其增益在1~4倍之間調(diào)節(jié)。用電壓反饋放大器很難得到固定帶寬,因?yàn)樗鼈兊脑鲆?帶寬積為恒定值。小尺寸SOT23封裝的電流反饋放大器MAX4223能夠滿足表1的所有要求,非常適合作為圖4中的U1、U2和U3放大器。它具有大于250 MHz的大信號帶寬,在任何增益水平下保持穩(wěn)定。當(dāng)負(fù)載較輕時,能夠提供很低的噪聲和很小失真。
  如上所述,電流反饋放大器的閉環(huán)帶寬依賴于反饋電阻Rf的阻值。低Rf允許更高的帶寬,但降低了相位裕量,因此放大器的穩(wěn)定性也依賴于這個電阻。因?yàn)殡娏鞣答佂負(fù)湓试S在沒有改變反饋電阻的情況下改變增益,增益的變化并沒有改變放大器的穩(wěn)定性。該結(jié)論至少在假定二階影響(例如反相端寄生電容)可以忽略的情況下是正確的。實(shí)際上,加在反相端的寄生電容對開環(huán)增益產(chǎn)生了一個極點(diǎn),因此對于放大器的穩(wěn)定性有一定作用。在電路板設(shè)計(jì)中,寄生電容是一個重要考慮因素。目的是減小反相端由繼電器引入的寄生電容,基于這個原因,將T2跨接在R電阻兩端并直接由第一級的輸出驅(qū)動,而非將其跨接在驅(qū)動U3的R電阻兩端。同樣原因,T3通過兩個R/3的電阻“緩沖”。
  電流反饋放大器必須具有低噪聲、低失真,但這類放大器在很多應(yīng)用中也存在一些問題,其中之一就是靜態(tài)電流較大,導(dǎo)致電源損耗較大;另外一個問題是輸入偏置對直流精度的限制;第三個問題是電路拓?fù)湓斐傻?,即共模抑制和增益精度與外部電阻的精度有關(guān)。
  自動測試設(shè)備廠商可以通過額外的花費(fèi)來改善高頻性能,高靜態(tài)電流、大功耗以及由此產(chǎn)生的溫漂可以采用成熟的液態(tài)冷卻系統(tǒng)處理,使電路板、元器件保持在可控制的恒溫條件下,失調(diào)、增益誤差以及共模電壓的不對稱性可通過系統(tǒng)軟件校準(zhǔn)。
  自動測試設(shè)備包括用于驅(qū)動校準(zhǔn)電路的低速DAC,它們可以消除模擬鏈中的失調(diào)量,補(bǔ)償增益誤差和電阻調(diào)節(jié),因而補(bǔ)償電路的不對稱性,這種不對稱性會降低共模抑制比。這類DAC的控制通常由FPGA或ASIC實(shí)現(xiàn),并且在自動測試設(shè)備開始測試前通過運(yùn)行軟件進(jìn)行校準(zhǔn)。
  本文介紹了ATE供應(yīng)商在設(shè)計(jì)高速、高性能數(shù)字采集器時所面臨的挑戰(zhàn),這些數(shù)字采集器對于測試DVD、機(jī)頂盒、HDTV等系統(tǒng)的技術(shù)水準(zhǔn)非常關(guān)鍵。數(shù)字采集器要求多輸入電壓量程,所面臨的問題之一是對于每個輸入量程必須保持相同的模擬帶寬、噪聲和線性度指標(biāo)。本文提出了基于運(yùn)算放大器的解決方案,并說明了選擇電流反饋拓?fù)溥\(yùn)算放大器的優(yōu)勢。

本站內(nèi)容除特別聲明的原創(chuàng)文章之外,轉(zhuǎn)載內(nèi)容只為傳遞更多信息,并不代表本網(wǎng)站贊同其觀點(diǎn)。轉(zhuǎn)載的所有的文章、圖片、音/視頻文件等資料的版權(quán)歸版權(quán)所有權(quán)人所有。本站采用的非本站原創(chuàng)文章及圖片等內(nèi)容無法一一聯(lián)系確認(rèn)版權(quán)者。如涉及作品內(nèi)容、版權(quán)和其它問題,請及時通過電子郵件或電話通知我們,以便迅速采取適當(dāng)措施,避免給雙方造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。聯(lián)系電話:010-82306118;郵箱:aet@chinaaet.com。