大频段时代的小信号带宽

几十年前的流行音乐需要许多乐器，因此得名“大乐队时代”。 今天，带宽增加再次成为时代的标志。互联网使用、支持网络的蜂窝电话（3G、4G、LTE 和 Wi-Fi）、音乐播放器和数码摄像机的爆炸式增长扩大了消费者对带宽的期望。我们正处于向所有便携式设备批量数据传输的风口浪尖。带宽已成为王道，因此我们再次进入了“大带宽时代”。 那么，为什么要讨论小信号带宽呢？

许多运算放大器在其数据手册中都包含小信号带宽规格。（所有运算放大器都有一个“最佳点”，以获得更好的带宽，即使数据手册中未提及。该规格通常基于限制在十分之一伏左右的信号幅度，乍一看似乎主要用于与其他运算放大器公司进行比较和“吹嘘权利”。

然而，一些应用可以利用小信号带宽，小信号带宽可能比运算放大器的大信号带宽大很多倍。例如，MAX4104运算放大器具有0MHz的小信号带宽（1.625V或更低）和2MHz的大信号带宽（11V峰峰值）。大多数应用都利用大信号带宽。小信号带宽很高，因为运算放大器工作在中端最佳位置（图 1）。

图1.信号条件决定了通过运算放大器的带宽。

通常，输入信号的最佳点接近电源电压的一半。放大器在该区域的线性度最高，并产生最佳的信号质量。运算放大器具有较大的开环增益，它们采用负反馈来控制放大器，以牺牲开环增益以获得稳定性和线性度。当放大器输出接近任一电源轨时，可用的反馈较少，这反过来又降低了反馈对放大器响应进行线性化的能力。当最佳点外的反馈减少时，频率响应降低，失真增加。提供“轨到轨”操作的运算放大器使用特殊的电路配置来最小化电源轨附近的失真，但仔细阅读典型“轨到轨”输出的数据手册会发现，输出电流在供电轨处减小到零。

现代运算放大器采用工艺制造，其中单个晶体管具有数千兆赫兹带宽。然而，运算放大器由数十或数百个晶体管、电阻和电容组成，该电路结构的净效果是降低总带宽，通常降低一个数量级或更多。这种自然带宽降低的影响包括由级间杂散电容和电阻引起的相位和幅度误差。带宽降低限制了压摆率，并且正如人们所期望的那样对幅度敏感。因此，小信号比大信号具有更大的带宽。

但是，某些应用可以使用小信号带宽。在一种这样的应用中——用于远程传感器的阻抗转换器——小信号驱动相对较长的电缆。系统要求可能包括高达十分之一伏的放大，以及驱动50Ω或75Ω同轴电缆的能力。系统中的第一个放大器通常设置信噪比。显然，带宽和信噪比是联系在一起的。因此，通过限制信号幅度来利用小信号带宽，可以使用消耗更少电源电流的较便宜的运算放大器。

利用运算放大器频率特性

虽然带宽限制会降低运算放大器的性能，但您可以利用带宽限制来充分利用廉价运算放大器。例如，如果您需要使用简单的1MHz低通滤波器来限制信号带宽，该怎么办？对于非关键应用，可以使用MAX4245等价格低廉的运算放大器（图2a）。对于3MHz低通滤波器，可以使用MAX4330（图2b）。对于更关键的应用，精确控制截止频率和斜率的Sallen-Key有源滤波器更为合适。

图2.这些电路采用廉价运算放大器工作，因为它们有意将信号带宽限制在1MHz （a）和3MHz （b）。

低通带宽可与其他功能结合使用，以降低系统成本。例如，由“完美二极管”制成的精密整流器可以通过降低信号带宽来平滑信号的边缘。（“完美二极管”是指在反馈环路中带有二极管的运算放大器，它产生二极管响应，而没有通常的正向压降。请参阅图 3。

图3.反馈路径中的二极管使该运算放大器电路能够执行全波整流，而不会产生与二极管中的正向压降相关的损耗。

将差分信号转换为单端信号，同时降低高频噪声的电路也可以使用廉价的运算放大器工作。再举一个例子，您可以构建一个具有迟滞的比较器（施密特触发器），该比较器可忽略其阈值电压中的高频噪声（图 4）。低于阈值的噪声将被忽略，正反馈锁存输出状态，直到超过相反的阈值。输出的压摆率受运算放大器响应的限制。

图4.这种廉价运算放大器的适度带宽允许施密特触发器电路忽略高频噪声。

慢速运算放大器往往价格低廉，通过组合利用运算放大器原生频率响应的功能，可以降低系统成本。电源的偏置和基准电路可以利用低通特性来去耦噪声并产生清洁电源。运算放大器可以将电路与其他电路隔离，并充当低通滤波器。例如，在图5中，运算放大器电压跟随器使单个基准电压源能够由模数转换器（ADC）、数模转换器（DAC）和其他电路共享。跟随器件的高输入阻抗和低输出阻抗用于将各种电路彼此隔离。这种隔离减轻了走线长度对电路板的影响，并防止电路之间的串扰。由于基准电压输出预期为单个直流值，因此低带宽运算放大器通过充当低通滤波器来提高其质量。

图5.这些廉价的运算放大器为各种电路分配单个基准电压，而其低带宽则用作受欢迎的噪声滤波器。

我们正处于通信爆炸式增长之中，消费者开始期望高速通信网络能够广泛使用。在美国，政府机构已经开始考虑普遍宽带的可用性，这与20世纪政府的基础设施任务相似。这种基础设施——农村电气化、通用电话服务和州际公路系统——大大提高了我们的生活水平。当我们考虑越来越宽的通信带宽时，我们还应该考虑控制该带宽的所有系统。用于均衡、通道选择、自动增益和频率控制（AGC 和 AFC）以及许多其他电路的电路需要较慢的低频控制。即使在这个大频段时代，低带宽运算放大器也占有一席之地。

审核编辑：郭婷