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高频和杂散电容下的放大器稳定性


放大器是使现代生活成为可能的关键组件之一。从无线通信到电力电子,放大器需要稳定且可预测地运行,以使这些产品正常工作。稳定性分析是我在物理学和工程学中最喜欢的主题之一,它总是倾向于出现在您最不希望看到的地方。这些地方之一是在放大器中。

具有反馈和增益的任何与时间相关的物理系统都具有系统将达到稳定行为的条件。放大器的稳定性将这些概念扩展到了放大器,由于意外的反馈,系统输出可能会增长到不希望的饱和状态。如果使用正确的设计和仿真工具,则可以在创建布局之前轻松解决电路模型中的潜在不稳定性。

杂散电容如何影响射频放大器的稳定性

放大器电路中以及放大器IC的输入和输出端口之间的不稳定源是寄生电容。该寄生电容存在于连接到放大器的走线之间。寄生电容对于将长走线(即传输线)的阻抗设置为特定值至关重要。但是,寄生电容也为输出端口和输入端口之间的反馈提供了意外路径。

由于此反馈路径是电容性的,因此当输入/输出信号频率较高时,其阻抗较低。如今,这通常是在芯片级别解决的,但是随着越来越多的RF放大器以越来越高的频率运行,PCB走线和焊盘的贡献将变得越来越重要。仅有几pF的寄生电容足以驱动放大器在工作期

间不稳定。

具有放大器寄生电容的电路模型。红脚显示的是电流可以作为负反馈传播回同相输入的位置

在板级,输入端的杂散电容具有带宽限制作用,其中带宽减少了一个因子(1 +增益)。解决方案是在放大器端口上设计走线和焊盘,以使寄生电容最小,或者在反馈环路中添加一些补偿电容。在高GHz频段(例如,毫米波频率)下,组件之间的间隔大于临界长度,因此您必须使用阻抗控制的布线。将某些组件集成到SoC中有助于消除此问题,但是许多用于即将推出的设备的RF放大器仍封装为单独的组件。一个典型的例子是用于毫米波应用的新型功率放大器。

评估放大器稳定性的典型方法是使用制造商的评估板,并直接测量任何瞬态行为。另一个选择是确定连接到放大器的输入和输出走线上的寄生电容,并将其包括在仿真中。这些仿真还允许您在放大器的反馈环路上使用补偿电容器进行实验,以抵消寄生电容。

 


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