摘? 要： 自動測試設備(ATE)行業中的混合信號儀器通常指數字采集器，這些儀器將模擬信號轉換為數字信號并做進一步處理。在高頻領域，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。
關鍵詞： 數據采集； 運算放大器； ATE； A/D轉換器
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在不同輸入量程下保證相對穩定的模擬信號帶寬是某些儀器設計所面臨的挑戰，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算放大器、精密電阻、繼電器或模擬開關。
隨著輸入電壓量程的變化，運算放大器表現出不同的增益或衰減。因此，設計人員在選擇運算放大器時必須保證不同增益配置下，運算放大器具有固定的模擬信號帶寬。本文解釋了在這類應用中選擇電流反饋運算放大器的原因，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撲。
1 電流反饋運算放大器
圖1給出了電流反饋運算放大器的內部電路，并列出了同相配置下的閉環增益。在電流反饋運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為低阻，運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，內部互阻Z(s)決定了所有運放的主極點和高直流增益。反相放大器的開環增益為：
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開環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。因為閉環增益帶寬由開環增益極點決定，與Rg無關，假定Z(s)有一個主極點并且運算放大器為單位增益穩定(所有極點頻率都高于放大器增益與X軸交點的頻率)，開環增益方程為：
圖2描繪了該方程，τ為運算放大器主極點的時間常量，曲線20 logZ(f)和20 logRf之間的區域表示開環增益。閉環帶寬由這兩條曲線的交點頻率決定。減小反饋電阻Rf將增大閉環帶寬，但Rf過小時，頻率響應中會增大過沖，這將減小相位裕量并加劇與運算放大器高頻極點之間的相互影響。閉環增益為：
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讀者可能認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 相關問題
數字采集器對于測量DVD、DSL、手機、HDTV、機頂盒等設備的發展水平起著重要作用。數字采集器在ATE系統中通常用來采集直流到幾百兆赫茲的模擬信號，將模擬信號轉換為數字格式以便數字信號處理器(DSP)進行處理。高性能采集系統采用12位到16位模/數轉換器(ADC)，采樣頻率大約為100 MS/s，高分辨率可對HDTV、機頂盒等類似產品中的數/模轉換器(DAC)的線性度進行精確測試。對數字采集器的要求是寬帶，即如果ADC采用欠采樣技術，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。為了降低開發成本，測試工程師還希望用它測試窄寬器件。
作為ATE數字采集器的一個基本功能，應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”能夠適應輸入到ADC的電壓量程。
圖3為典型ATE數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算放大器、抗混疊低通濾波器、全差分ADC驅動器。PMUPP表示用于開路/短路以及其他直流測試的引腳參數測量單元。深灰色表示數字電路部分：ADC、DSP以及測試系統和儀器之間的連接總線。
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假設ADC的差分輸入電壓范圍為峰峰值2 V，問題是：什么樣的電路拓撲以及什么類型的運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)，并將信號調節到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 選擇最佳的運算放大器及電路拓撲
本文采用的電路拓撲具有幾個關鍵優勢。首先，采用電流反饋運算放大器，增益變化時不影響帶寬。改變運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算放大器的Rg電阻實現。其次數字采集器的閉環帶寬、相位裕量和穩定性不會受到影響，因為反饋電阻Rf的阻值沒有變化。這一點在下面的討論中將作進一步的解釋。
運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。
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很難找到完全符合上述要求的集成運算放大器，但可以搭建滿足要求的放大器：包括運算放大器、精密電阻以及用于增益選擇的繼電器（或模擬開關）。主要挑戰是運算放大器的選擇以及電路拓撲的選擇，它必須滿足在改變可編程增益時保持固定的數百兆赫茲的帶寬。表2列舉了與每個量程相關的運算放大器的增益。
圖3中，假設要求ADC具有2 V滿量程差分輸入，用單端到差分轉換放大器驅動(ADC驅動器)，ADC驅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。為了避免在單個運算放大器上配置0.25～4倍的增益范圍，電路拓撲應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帶寬的變化。表3表示每個增益量程的開關狀態。
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，因為：低噪聲指標非常重要，因為這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。這種電路拓撲要求在任何輸入量程下保持高輸入阻抗。
寬帶（幾百兆赫茲）指標要求采用電流反饋放大器。雖然寬帶指標并非這類器件的閃光點，因為電壓反饋放大器也能獲得同等帶寬。主要原因是電流反饋運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倍之間調節。用電壓反饋放大器很難得到固定帶寬，因為它們的增益-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定。當負載較輕時，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，因此放大器的穩定性也依賴于這個電阻。因為電流反饋拓撲允許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定性。該結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。實際上，加在反相端的寄生電容對開環增益產生了一個極點，因此對于放大器的穩定性有一定作用。在電路板設計中，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動，而非將其跨接在驅動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用中也存在一些問題，其中之一就是靜態電流較大，導致電源損耗較大；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撲造成的，即共模抑制和增益精度與外部電阻的精度有關。
自動測試設備廠商可以通過額外的花費來改善高頻性能，高靜態電流、大功耗以及由此產生的溫漂可以采用成熟的液態冷卻系統處理，使電路板、元器件保持在可控制的恒溫條件下，失調、增益誤差以及共模電壓的不對稱性可通過系統軟件校準。
自動測試設備包括用于驅動校準電路的低速DAC，它們可以消除模擬鏈中的失調量，補償增益誤差和電阻調節，因而補償電路的不對稱性，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實現，并且在自動測試設備開始測試前通過運行軟件進行校準。
本文介紹了ATE供應商在設計高速、高性能數字采集器時所面臨的挑戰，這些數字采集器對于測試DVD、機頂盒、HDTV等系統的技術水準非常關鍵。數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。本文提出了基于運算放大器的解決方案，并說明了選擇電流反饋拓撲運算放大器的優勢。