挫败酷热——避免运算放大器“次声频干扰振荡,”即意外正反馈

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作者: Intersil公司 Tamara Schmitz 和 Dave Ritter

 

T博士:嘿,Dave!你在喷泉旁边做什么呢?

 

Dave:在阴凉处凉快一下……今天下午我们达到了140华氏摄氏度!

 

T博士:实际上里面凉快些……。

 

Dave:是啊,但是我打不开我为我侄子买的这个小玩具—小巧的太阳能船。你看,当你打开它的开关时,它甚至“噗噗”地响。

 

[Dave把小拖船模型放入喷水池,按下了开关。船慢慢地穿过水池,被一阵流下来的水迅速沉到了水底,落在一些闪光的硬币上面。]

 

Dave:嗯。我想汽艇(motor boating)不是我的长项。

 

T博士:也许你应该做电子产品,至少它是干燥的。这提醒了我,“汽艇”该不是用于电子行业的术语“次声频干扰振荡”(motor boating)吧?

 

Dave:是的,正是这样。有一阵子没听见这个术语了,而老式的音频放大器习惯用“摩托艇(motorboat)”,当时人们没有足够好地解决某些问题,便得到了意外正反馈(inadvertent positive feedback)。

 

T博士:因此,它被称为“汽艇(motor boating)”,因为它“淹没”了放大器。这似乎很奇怪。

 

Dave:嗯,其实它把放大器声音弄得像一个小型二冲程引擎。你知道,发出“噗噗噗”的声音,就像我刚才沉入水底的小船那样。

 

T博士:噢,我懂了。每当进行轨道间的转换时,极低频的振荡器都会使放大器出现“噼噗”声。

 

Dave:有时,当你调整电源或音量控制时,转换速率会随之改变。这听起来像是你加快了引擎转速,这被称为次声频干扰振荡。无论何时,我仍然倾向于使用这个词,即一个系统进入了高振幅、低频率的振荡。

 

T博士:这是否会经常发生?

 

Dave:当然不是的。一个设计良好的电路不会有“摩托艇”的声音。这样做,我还没有出现过一次问题,……因为昨天下午。

 

T博士:真罕见!发生了什么事情?

 

Dave:我的信号处理链无法启动。如果它开始启动——电源电压就会缓升(ramp up),带隙就会得到确定,而偏置电流就会开始流动。

 

T博士:这听起来不错……。这是怎么回事?

 


Dave:嗯……我不能准确地告诉你原因,因为我现在正在设计,一切都是非常秘密、绝密、高度机密的。

 

T博士:当然,绝密特工Dave。但是,采用分立电路一定同样会发生问题。

 

Dave:其实,不要告诉任何人,但是,我做的芯片是针对均衡长电缆(equalizing long cable)的应用电路。我可以告诉你一些细节。

 

T博士:听起来不错。假设我需要均衡一根很长的电缆,也许这是一个视频应用。

 

Dave:非常聪明的猜测,T博士。我们有一个电路板,它在一个多级均衡器中使用了我们的噪声非常低的ISL28290轨到轨运算放大器。它非常适合这个应用……具有非常低的噪声和足够的带宽。我会用它来说明这个问题。当末级开始斜升,并触及电源轨的几百纳秒时,这5us的仿真结果看起来很好。然后它突然打到负轨,持续一微秒左右,然后弹回到正轨,一旦开始这样做了,它就绝不会停止。因此,我不得不告诉我的老板,这是次声频干扰振荡的结果(motor boating)。

 

T博士:他以为你是在海滨度假?

 

Dave:没有,他只是想知道这有多快。该芯片在大约25MHz时出现次声频干扰振荡,它更像是我假设的快艇,而我们的分立电路会有点慢。

 

T博士:好了,所以这是一个速度非常快的摩托艇,但仍然是某种意外正反馈的结果。

 

Dave:当然是的。

 

T博士:你能描绘出信号链吗?

 

Dave:[跪在沙地上]它是这样的。它有一个缓冲输入信号的差分前端,建立了共模DC电平[参见图1]。

 


图1:差分输入级
(图字:差分视频输入;(+)至以下几级的信号;(-)至以下几级的信号)

 


T博士:因此,信号是在两根线上,一根线与另一根反相。

 

Dave:没错。输入来自于一根双绞线。U1是一个双放大器,可对输入信号进行缓冲,U2检测共模电平和纠正输入端的DC。在前端之后,它进入了一系列“伪差分”均衡器,[参见图2]。

 


图2:增加的伪差分均衡器级
(图字:差分视频输入;有共模回路的输入级;均衡器级1;均衡器级2)

 

T博士:嗯……伪差分,你的意思是?

 

Dave:基本上,一个真差分级可以带来差分增益,同时抑制共模增益。一个伪差分级可产生相同的差分增益,但不抑制共模增益。相反,在伪差分的情况下,共模增益通常是1。

 

T博士:你是在告诉我为什么设计师可能更愿意使用一个伪差分级,而不是一个真差分级,对吗?

 

Dave:是这样的。

 

T博士:让我们回到你的系统描述。预期的信号是差分的,而均衡器的目的是提高差分电压。

 

Dave:是的。

 

T博士:但共模信号(两根线相同)同样都有,并没有提高。

 

Dave:哇!相当聪明的女孩。

 

T博士:在某个地方,可能是在输出端,你把信号转换为单端信号,只有一根线有对地电压。

 

Dave:没错。但是我们忽略了一些东西。我们使用了伪差分级,因为它们的噪声最低,最不受电源波动的影响,但是我们还需要尽可能快地抑制来自输入端的共模变化。

 

T博士:嗯,伪差分级做不到这一点,它们只携带共模信号。因此,我们必须抑制前端的共模,我敢打赌这种情况会在这里发生[图3中的蓝色箭头]。

 

 
图3:带有意外反馈的整个电路
(图字:差分视频输入;有共模回路的输入级;这里抑制了共模;均衡器级1;均衡器级2;差分至信号单端输出级;信号电流注入VRef,出现在VRef的输出信号;视频输出;作为输出端意外反馈出现的电压降)


 

Dave:很正确。

 

T博士:因此,前端放大器U2反馈以抑制(抵消)共模输入,而它需要有一个参考电压来设置其输出共模电平。

 

Dave:确实是这样!在过去,输出将对地(零伏)参考。但是,现在很多芯片需要利用单电源工作,因此信号在轨之间浮动。这里的“有效的地”需要是电源的一半或大约2.5V。让我们称之为VRef。

 

T博士:输出共模参考是怎么回事?你的差分至共模级也需要一个参考,对吗?

 

Dave:是的,这也是我遇到麻烦的地方,因为我用了相同的电压。

 

T博士:就是说即使它们需要相同的电压,电压仍被施加在信号链的不同端。那么整个信号链的增益如何?

 

Dave:哦,它大约分别是60dB,有时更高。

 

T博士:你的两个参考使用了相同的节点吗?

 

Dave:哦,我昨天是这样做的。

 

T博士:在图3中你显示了末级实际上驱动了电流经两个电阻进入VRef。而这些电阻器是……

 

Dave:大约1kΩ。

 

T博士:所以你在参考放大器的输出端注入了几毫安……

 

Dave:是的,这是一对1000欧姆的分压电阻。

 

T博士:VRef源的有效阻抗是多少?

 

Dave:10或20欧姆……。

 

T博士:那么你就通过这个电阻得到了几十毫伏的输入反馈,你得到了超过1000倍的增益

 

Dave:你这样说听起来不是太好。

 

T博士:它出现了次声频干扰振荡。

 

Dave:在24MHz。

 

T博士:所以你通过缓冲输出级的VRef馈入固定了它,阻断了无意反馈回路?

 

Dave:像是需要在设计中的工作,T博士?

 

T博士:对不起,已经做的足够多了……

 

 
图4:带有输出端缓冲VRef的校正电路
(图字:差分视频输入;有共模回路的输入级;均衡器级1;均衡器级2;差分至信号单端输出级;防止前端意外反馈的新型缓冲器;视频输出)