ATE设备中高速数据采集前端运算放大器的选择
2009-07-03
作者：Maurizio Gavardo
摘 要： 自动测试设备(ATE)行业中的混合信号仪器通常指数字采集器，这些仪器将模拟信号转换为数字信号并做进一步处理。在高频领域，这种仪器倾向于使用16位分辨率，采样频率为100 MHz甚至更高。
关键词： 数据采集； 运算放大器； ATE； A/D转换器
在不同输入量程下保证相对稳定的模拟信号带宽是某些仪器设计所面临的挑战，典型输入量程变化范围为4 V～250 mV，增量为6 dB(4 V、2 V、1 V、0.5 V、0.250 V)，无论输入量程如何选择都应保证模拟采集链具有相同的输入模拟信号带宽(几百兆赫兹)，模拟链中输入量程的选择通常采用电流反馈运算放大器、精密电阻、继电器或模拟开关。
随着输入电压量程的变化，运算放大器表现出不同的增益或衰减。因此，设计人员在选择运算放大器时必须保证不同增益配置下，运算放大器具有固定的模拟信号带宽。本文解释了在这类应用中选择电流反馈运算放大器的原因，并提供了一个在多量程中保持固定模拟信号带宽的典型电路拓扑。
1 电流反馈运算放大器
图1给出了电流反馈运算放大器的内部电路，并列出了同相配置下的闭环增益。在电流反馈运算放大器的两个输入之间有一个单位增益缓冲器，使反相端电压跟随同相端电压。缓冲器在反相端口表现为低阻，运算放大器在该输入端口能够检测出微小的电流误差，并通过互阻放大器将其传送到输出，内部互阻Z(s)决定了所有运放的主极点和高直流增益。反相放大器的开环增益为：
开环增益取决于外部器件——反馈电阻Rf，电阻Rg在方程中并未出现。因为闭环增益带宽由开环增益极点决定，与Rg无关，假定Z(s)有一个主极点并且运算放大器为单位增益稳定(所有极点频率都高于放大器增益与X轴交点的频率)，开环增益方程为：
图2描绘了该方程，τ为运算放大器主极点的时间常量，曲线20 logZ(f)和20 logRf之间的区域表示开环增益。闭环带宽由这两条曲线的交点频率决定。减小反馈电阻Rf将增大闭环带宽，但Rf过小时，频率响应中会增大过冲，这将减小相位裕量并加剧与运算放大器高频极点之间的相互影响。闭环增益为：
读者可能认为电流反馈放大器和电压反馈放大器一样不具有固定的增益带宽积。然而，如果Rg比反相输入端阻抗高很多，可以通过改变Rg来改变放大器增益而不会影响放大器带宽。
2 相关问题
数字采集器对于测量DVD、DSL、手机、HDTV、机顶盒等设备的发展水平起着重要作用。数字采集器在ATE系统中通常用来采集直流到几百兆赫兹的模拟信号，将模拟信号转换为数字格式以便数字信号处理器(DSP)进行处理。高性能采集系统采用12位到16位模/数转换器(ADC)，采样频率大约为100 MS/s，高分辨率可对HDTV、机顶盒等类似产品中的数/模转换器(DAC)的线性度进行精确测试。对数字采集器的要求是宽带，即如果ADC采用欠采样技术，带宽要接近甚至超过ADC的采样率。
另一方面，模拟带宽还需要覆盖非常低的频率，甚至是直流。为了降低开发成本，测试工程师还希望用它测试窄宽器件。
作为ATE数字采集器的一个基本功能，应允许用户选择输入电压量程，能够处理峰峰值4 V～250 mV甚至更低的典型输入电压范围。具有上述性能的ADC(16位分辨率、100 MS/s采样速率)的满量程输入电压范围峰峰值约为2 V～2.5 V，共模输入范围为1.5 V～3.5 V。数字采集器的模拟链路必须能够提供一个可编程“比例因子”，该“比例因子”能够适应输入到ADC的电压量程。
图3为典型ATE数字采集器和被测器件(DUT)的框图。浅灰色部分表示模拟输入链，包括一个可选择输入量程的运算放大器、抗混叠低通滤波器、全差分ADC驱动器。PMUPP表示用于开路/短路以及其他直流测试的引脚参数测量单元。深灰色表示数字电路部分：ADC、DSP以及测试系统和仪器之间的连接总线。
假设ADC的差分输入电压范围为峰峰值2 V，问题是：什么样的电路拓扑以及什么类型的运算放大器最适合输入模拟链路的第一部分，放大器必须满足宽输入电压范围(4 V～250 mV差分)，并将信号调节到ADC所要求的输入范围。不论如何，每个输入量程选择必须保证相同的模拟信号带宽。
3 选择最佳的运算放大器及电路拓扑
本文采用的电路拓扑具有几个关键优势。首先，采用电流反馈运算放大器，增益变化时不影响带宽。改变运算放大器的增益可以改变输入量程，增益的变化通过改变运算放大器的Rg电阻实现。其次数字采集器的闭环带宽、相位裕量和稳定性不会受到影响，因为反馈电阻Rf的阻值没有变化。这一点在下面的讨论中将作进一步的解释。
运算放大器必须具有高输入阻抗、可编程增益、差分输入，增益变化时能够保持固定带宽、低噪声和低失真等特性，满足14 bit、16 bit ADC的线性要求，如表1所示。另外，共模抑制比和电源抑制比也是非常重要的特性。
很难找到完全符合上述要求的集成运算放大器，但可以搭建满足要求的放大器：包括运算放大器、精密电阻以及用于增益选择的继电器（或模拟开关）。主要挑战是运算放大器的选择以及电路拓扑的选择，它必须满足在改变可编程增益时保持固定的数百兆赫兹的带宽。表2列举了与每个量程相关的运算放大器的增益。
图3中，假设要求ADC具有2 V满量程差分输入，用单端到差分转换放大器驱动(ADC驱动器)，ADC驱动器和抗混叠滤波器一起提供2倍增益。因此，输入放大器必须提供摆幅为1 V的单端输出。为了避免在单个运算放大器上配置0.25～4倍的增益范围，电路拓扑应该通过多级分配增益。这种如图4所示的方案能够尽量避免由于Rg电阻变化引起的闭环带宽的变化。表3表示每个增益量程的开关状态。
输入放大器U1 和 U2的增益可为单位增益或4倍增益。低噪声、低失真的电流反馈放大器是最佳选择，因为：低噪声指标非常重要，因为这个放大器是模拟链路的第一级。在链路初级增益可低至1。此外，低噪声要求对于差分放大器U3也非常重要。共模抑制比依赖于U3(第二级)，特别是电阻精度。这种电路拓扑要求在任何输入量程下保持高输入阻抗。
宽带（几百兆赫兹）指标要求采用电流反馈放大器。虽然宽带指标并非这类器件的闪光点，因为电压反馈放大器也能获得同等带宽。主要原因是电流反馈运算放大器在处理不同增益时能够保持相同带宽，这一特性对于输入级放大器U1和U2尤其重要，其增益在1～4倍之间调节。用电压反馈放大器很难得到固定带宽，因为它们的增益-带宽积为恒定值。小尺寸SOT23封装的电流反馈放大器MAX4223能够满足表1的所有要求，非常适合作为图4中的U1、U2和U3放大器。它具有大于250 MHz的大信号带宽，在任何增益水平下保持稳定。当负载较轻时，能够提供很低的噪声和很小失真。
如上所述，电流反馈放大器的闭环带宽依赖于反馈电阻Rf的阻值。低Rf允许更高的带宽，但降低了相位裕量，因此放大器的稳定性也依赖于这个电阻。因为电流反馈拓扑允许在没有改变反馈电阻的情况下改变增益，增益的变化并没有改变放大器的稳定性。该结论至少在假定二阶影响(例如反相端寄生电容)可以忽略的情况下是正确的。实际上，加在反相端的寄生电容对开环增益产生了一个极点，因此对于放大器的稳定性有一定作用。在电路板设计中，寄生电容是一个重要考虑因素。目的是减小反相端由继电器引入的寄生电容，基于这个原因，将T2跨接在R电阻两端并直接由第一级的输出驱动，而非将其跨接在驱动U3的R电阻两端。同样原因，T3通过两个R/3的电阻“缓冲”。
电流反馈放大器必须具有低噪声、低失真，但这类放大器在很多应用中也存在一些问题，其中之一就是静态电流较大，导致电源损耗较大；另外一个问题是输入偏置对直流精度的限制；第三个问题是电路拓扑造成的，即共模抑制和增益精度与外部电阻的精度有关。
自动测试设备厂商可以通过额外的花费来改善高频性能，高静态电流、大功耗以及由此产生的温漂可以采用成熟的液态冷却系统处理，使电路板、元器件保持在可控制的恒温条件下，失调、增益误差以及共模电压的不对称性可通过系统软件校准。
自动测试设备包括用于驱动校准电路的低速DAC，它们可以消除模拟链中的失调量，补偿增益误差和电阻调节，因而补偿电路的不对称性，这种不对称性会降低共模抑制比。这类DAC的控制通常由FPGA或ASIC实现，并且在自动测试设备开始测试前通过运行软件进行校准。
本文介绍了ATE供应商在设计高速、高性能数字采集器时所面临的挑战，这些数字采集器对于测试DVD、机顶盒、HDTV等系统的技术水准非常关键。数字采集器要求多输入电压量程，所面临的问题之一是对于每个输入量程必须保持相同的模拟带宽、噪声和线性度指标。本文提出了基于运算放大器的解决方案，并说明了选择电流反馈拓扑运算放大器的优势。