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寬帶固定增益放大器THS4302特性及應用
摘要：THS4302是TI公司推出的新型固定增益放大器，具有２.４GHz的帶寬和＋5V／V的固定增益，其性能是現有同類產品的四倍，可為高速應用系統提供高速低噪聲的模擬解決方案。文中介紹了THS4302的特點、工作原理及使用注意事項，并在此基礎上給出了幾種典型應用。關鍵詞：固定增益 放大器 A/D轉換器?THS4302
１ 引言
ＴＨＳ４３０２是美國德州儀器公司推出的新型固定增益放大器，它具有低失真、高斜率、低噪聲和超過２ＧＨｚ的增益帶寬積。這些特性的結合使得模擬電路設計人員能夠超越當前的性能限制，而以高于先前使用閉環所能達到的速率來處理模擬信號，從而優化放大器的設計方案。
ＴＨＳ４３０２具有２．４ＧＨｚ的帶寬及＋５Ｖ／Ｖ的固定增益，其性能較現有同類器件提高了三倍，從而為高速應用領域提供了高速度、低噪聲的模擬解決方案。
ＴＨＳ４３０２的推出使得無線基站、中繼站以及其它基礎設備能夠提供更多的通道，從而可在更小空間中提供更高的帶寬。由于ＴＨＳ４３０２具有高速、低失真特性，因而可在數字信號處理 （ＤＳＰ)中驅動寬動態范圍的高精度Ａ／Ｄ（數／模）轉換器。ＴＨＳ４３０２在１００ＭＨｚ頻率輸入時， 可驅動１００Ω負載，其三階輸出截取點（ＯＩＰ３)可高達＋４６ｄＢｍ，這和以前的相同固定電壓增益的運算放大器相比，具有更佳的線性增益變化及更低的功耗。
ＴＨＳ４３０２還采用了新型的帶散熱墊（ＰｏｗｅｒＰＡＤ）的ＲＧＴ封裝，其引腳定義如圖１所示。各引腳下的功能說明如下：
１～４腳（ＶＳ－）：電源負端；
５～８腳（ＶＯＵＴ）：輸出端；
９～１２腳（ＶＳ＋）：電源正端；
１３腳（ＮＣ）：空腳；
１４腳（ＶＩＮ－）：輸入負端；
１５腳（ＶＩＮ＋）：輸入正端；
１６腳（ＰＤ）：功率下拉端，低電平有效。
２ 工作原理
２．１ 寬帶同相工作
ＴＨＳ４３０２是具有功耗下拉功能的固定增益電壓反饋運算放大器，可在３Ｖ～５Ｖ的電源下工作。現以圖２為例說明ＴＨ４３０２電路的典型性能。該電路采用同相放大結構，并采用雙電源供電。圖２中，ＶＩ端４９．９Ω的并聯電阻用來匹配測試儀器的源阻抗。ＶＯ端的５０Ω電阻用于與測試儀器的５０Ω負載阻抗相串聯以提供１００Ω負載。輸出端總的１００Ω負載與總共２５０Ω的反饋網絡負載相結合可在ＴＨＳ４３０２的輸出端呈現出７１Ω的有效輸出負載。圖中的Ｒｆ、Ｒｇ為ＴＨＳ４３０２的內部反饋電阻和增益設定電阻，其取值分別為２００Ω和５０Ω。從圖２可以看出，為了獲得足夠寬的頻帶響應，電路在正、負電源端均設計了嚴格的濾波網絡。
２．２ 單電源工作
當ＴＨＳ４３０２在單電源下工作時，輸入信號和放大器必須具有適當的偏置以便能獲得最大的輸出電壓擺幅。圖３給出了一種有益于放大器單電源工作的配置方法。
為了獲得最大的輸出電壓擺幅，輸入信號和放大器應加Ｖｓ／２的電壓。圖中標示的２．５Ｖ偏置電壓是在供電電壓為５Ｖ時給出的。
另外，通過ＴＨＳ４３０２的功耗下拉引腳?ＰＤ?可以將靜態電流從３７ｍＡ降至８００μＡ，這對于降低系統功耗是非常有用的。當放大器的功耗下拉腳（ＰＤ）接到高電平（正電源）時，放大器工作在正常功耗模式。而當功耗下拉腳（ＰＤ）接負電平時，放大器關斷，此時電流降至８００μＡ。
功耗上拉或下拉門限電壓與電源電壓有關。當加到功耗下拉腳（ＰＤ）的電壓高于使能電壓時，器件被激活。而在低于下拉電壓時，器件休眠。當所加電壓在兩門限電壓之間時，放大器的工作狀態不確定。
３ 典型應用電路
３．１ 用ＴＨＳ４３０２驅動Ａ／Ｄ轉換器
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p; 圖４所示是用ＴＨＳ４３０２驅動高性能Ａ／Ｄ轉換器的實際電路。圖中，ＴＨＳ４３０２輸出的放大信號經過隔離電阻、ＡＣ耦合電容和低通濾波器后，再經寬帶變壓器即可轉化為差分信號以驅動Ａ／Ｄ轉換器。對于不包含直流信息的應用，這種驅動ＡＤＣｓ的方法很有用。
ＲＩＳＯ電阻在電路中起隔離作用，對它的精心設計可使電路獲得最優的頻率響應。
３．２ 用ＴＨＳ４３０２驅動電容負載
對運算放大器來說，電容負載是一種最苛刻、也是很普通的負載條件。通常，電容負載為Ａ／Ｄ轉換器的輸入，包括推薦用來改善Ａ／Ｄ 線性度的外部附加電容。象ＴＨＳ４３０２這樣的高速放大器，在輸出端直接放置電容負載時，其穩定性很容易受到影響。而且，在放大器帶有開環輸出電阻時，電容負載在信號路徑上引入的附加極性會減少相位余量，因此，在設計時，如果主要考慮頻率響應的平坦度、脈沖響應的真實度、或者失真度，最簡單有效的方法是在放大器輸出和電容負載之間插入一個串聯隔離電阻ＲＩＳＯ以將反饋回路和電容負載隔離。
當ＴＨＳ４３０２的寄生電容負載超過２ｐＦ時，其頻率響應性能降低。在實際應用時，長的ＰＣ板路徑，非匹配電纜以及多個器件間的連接都很容易出現等效寄生電容負載超過２ｐＦ的情況。因此，為了獲得最優的頻率響應，ＲＩＳＯ電阻的取值尤為重要，并應盡可能地將電阻ＲＩＳＯ安裝在靠近ＴＨＳ４３０２的輸出端。圖５所示為一組ＴＨＳ４３０２驅動不同電容負載時的頻率響應曲線。
４ 使用建議
ＴＨＳ４３０２具有２．４ＧＨｚ的頻帶和５倍的電壓增益，為了獲得最優的ＡＣ性能，下面給出一些關于電源退耦和版圖設計方面的建議。
（１）盡可能地將退耦電容放置在靠近電源輸入端，以減小電源到地的電感。推薦使用與器件電源腳寬度差不多的電源線來連接退耦電容，并用３個或更多的孔將電容連接到地平面。
（２）將容值小的電容優先放置在最接近器件的位置。
（３）固態電源平面的四周到地平面之間要慎用高頻退耦電容，以避免ＰＣＢ出現自激。
（４）為了獲得超過２ ＧＨｚ的最佳傳輸特性，建議旁路電容的排列采用評估板上的排列方式。３０．１Ω電阻與０．１μＦ電容串聯可降低并聯集總元件的諧振Ｑ值。其中包括０．１μＦ和４７ｐＦ電容和放大器的電源輸入電容。
（５）將信號輸入／輸出腳到交流地的寄生電容應減到最小。
不管怎樣，如果在Ｉ／Ｏ端使用傳輸線，匹配電阻應盡可能地接近器件。除非使用了傳輸線，否則，輸出端和同相輸入端的寄生電容會與負載和源阻抗一起，不自覺地對帶寬產生限制。為了降低不必要的電容，地平面或電源平面應沿著信號Ｉ／Ｏ腳的周圍斷開，以形成一個窗口。
（６）將電源腳到高頻０．１μＦ退耦電容器的距離減到最小?＜０．２５”?；
設計的地平面和電源平面不盡遠離信號Ｉ／Ｏ腳，以避免使用窄的電源和地線，達到減小引腳和退耦電容間電感的目的。
（７） 仔細選擇和放置外部元件以保護ＴＨＳ４３０２的高頻性能。電阻應選擇低電抗類型的。表貼電阻的工作特性較好，可進行高密度設計。此外，還應保持ＰＣ板上的連線盡可能地短。
（８）與其它寬帶元件間應短線直接連接或使用板上傳輸線。 實際上，ＴＨＳ４３０２內部已經產生有２ｐＦ的寄生負載。因此，隨著信號增益的增加，在沒有隔離電阻的情況下，也可以驅動更大的寄生電容負載。也就是說，如果實際要求的走線較長，那么，也可以采用６ｄＢ固有信號損耗的雙端傳輸線，當然還可以采用微帶設計技術實現阻抗匹配傳輸線。
（９）像ＴＨＳ４３０２和ＴＨＳ４３０３這樣的高速器件，一般不推薦使用插座。
（１０）應充分利用ＰｏｗｅｒＰＡＤ來獲得最佳的溫度性能。
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