OPA695: 电流反馈型运放 级联放大电路设计

OPA695为电流反馈型运放，想用两个OPA695级联实现100MHz信号放大100倍。Pspice仿真可以实现，但PCB测试与仿真完全不相符。

采用级联双运放，均为单电源（VCC = +5V，VEE = 0V）供电，非反向输入端电阻分压实现VCC/2直流偏置，预期每级放大10倍，仿真原理图如下；

实际测试中出现以下问题：

• 每级运放的输出端直流偏置都不是设计的2.5V，第一级输出偏置3V左右，第二级输出偏置4V左右,有明显偏差；
• 放大倍数很小，只放大了3倍左右，反馈电阻选取了数据手册中实例电路的数值，增益电阻根据公式重新计算所得；
• 用于供电的直流电压源显示的输出电流不固定，一直在抖动，抖动幅度1mA-10mA，末端输出信号也是持续抖动，不稳定，不知道是否为电路不稳定；

求问该电路设计有什么问题，谢谢！

Amy Luo：

您好，

电路没有输入交流信号时，输出偏置电压正确吗？

您需要放大的信号具体是什么信号？是单频100MHZ 的正弦波吗？输入信号幅值是什么？

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Martin：

您好，感谢回复！

没有输入信号时，两级输出偏置电压也都不正常；

需要放大的信号就是100MHz正弦波，幅值从10mV到100mV都尝试了，都工作不正常；

不知道是否是因为电流反馈型运放级联应用时，两级间需要电容隔直再重新偏置？还有电容值是不是取得太大了，应该按数据手册取0.1uF和1000pF并联？不知道是否有影响。

谢谢，期待恢复！

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Martin：

不好意思打错了，幅值从10mV到1V都尝试了，都工作不正常，且低频信号工作也不正常；

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Amy Luo：

您先一级一级的测试，两级不要同时测试，分别测试结果怎样？

在没有输入信号时，运放相当于跟随器，输出应该是2.5V；

Martin said:还有电容值是不是取得太大了，应该按数据手册取0.1uF和1000pF并联？不知道是否有影响。

如果您输入的信号含有直流成分，那么这个电容大小会有影响的；

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Martin：

谢谢回复！

没有输入信号时，结果显示不是电压跟随器，第一级输出直流3V，第二级直流输出4V，请问是否因为两级间必须要接电容隔直再重新分压？（电容取0.1uF和1000pF并联）

输入信号没有直流成分，请问结果异常（直流偏置异常和DC电源输出电流与输出信号抖动）和电容取值有关吗？谢谢

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Amy Luo：

Amy Luo said:您先一级一级的测试，两级不要同时测试，分别测试结果怎样？

建议您先验证芯片是好的，即在电压跟随器模式下是可以正常输出的。

如果在电压跟随器模式下都不能正常输出，那么芯片可能是坏的，或电路接线存在问题，同时检查下供电电压和2.5V电压输出是否正常？

待电压跟随器模式正常后，再一级一级的验证每级电路是正常工作的，待两级都正常工作后再级联在一起验证整个电路是否可以正常工作？

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Martin：

感谢回复！

验证发现芯片是好的，目前可以实现电压跟随器的作用；

按您说的一级一级验证每级电路，我把第一级电路搭在面包板上，信号频率1-10kHz，貌似发生了自激（运放输入和信号输出上都叠加着一个挺大幅值的高频信号，且当无输入信号，只有供电时，端口也有较大幅值的高频信号），相同的电路在PCB上没有发生这种情况；因为想在面包板上分模块、每一级地研究是否正常工作，且调整参数，请问该自激有啥办法解决吗？试了一些办法都没有效果，不知道什么原因造成的

谢谢！

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Amy Luo：

在面包板上信号走线相对都比较长，产生的一些寄生参数相对就比较大，它们会对电路产生影响造成电路不稳定，您可以尝试缩短面包板上的走线吗看是否有所改善

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Martin：

您好，我在两级间加了一个25欧姆的隔离电阻，或者电容隔直再重新分压，电路工作基本正常了；但是放大倍数还有问题，级联后同时输出第一级波形和第二级波形，发现第一级放大了20-30倍，第二级放大了2-3倍（原本设计各放大10倍），请问是什么原因导致的？

另外我也试用了另一款电压反馈运放LMH6629，按数据手册说明两级间也接了25欧姆的隔离电阻，Rf取249欧姆，Rg取25欧姆，两级放大倍数异常，也是上面这种问题，第一级放大倍数远超设计，第二级放大倍数很低，不知道是不是因为隔离电阻的原因，还是我测试的问题？谢谢，期待回复。

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Amy Luo：

两级电路分别测试结果是正常的吗？

我TINA仿真两级间串联25Ω电阻没什么异常，怀疑是测试的问题，您测试时输入信号幅值是多少？您是在面包板上搭建的电路吗？

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Martin：

您好，OPA695和LMH6629在TINA和Pspice仿真时均正常工作，OPA695甚至两级直接连接仿真结果都正常，但是实际无法工作；面包板一直自激，故用的PCB电路，频率100MHz，设计为每一级放大10倍。

OPA695：

第一级输出在25欧姆电阻之后，输入40mVpp，第一级输出0.6Vpp，最后输出2.6Vpp，放大倍数不太正常？两级运放电阻我都是取的Rf=348，Rg=36，请问这个取值正确吗？这个取值能达到的带宽有多大？

LMH6629：

所用原理图如下。第一级输出测试点为25欧姆之前。输入40mVpp，第一级输出2Vpp，最后输出3.2Vpp，放大倍数也不正常？两级运放的Rf=249，Rg=24，请问取值是否正常？这个取值能达到的带宽有多大？

另外，我需要达到100MHz时的相移在30°~50°，所以可能要很大的带宽；目前测试相差甚远，请问对这两个运放电路，我是否需要调整电阻参数，或者还是有其他解决办法？

谢谢！

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Amy Luo：

看OPA695 datasheet 在RF=348Ω时，其带宽在全温度范围是300MHZ，Rg=36Ω时，增益是1+Rf/Rg=10.7倍；

Martin said:第一级输出在25欧姆电阻之后，输入40mVpp，第一级输出0.6Vpp

 这里第一级输出峰峰值误差很大，您仿真下面datasheet 中figure 50是正常输出的吗？我用TINA仿真，输出偏小

关于第二级，因为输出有电压限制，40mV放大100倍为4V，5V供电，超出了其输出范围：

OPA695是电流反馈型运放，而LMH6629是电压反馈型运放，它们设计方法不一样，LMH6629它的带宽受增益和压摆率SR限制：

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Amy Luo：

Martin said:OPA695和LMH6629在TINA和Pspice仿真时均正常工作

您可以附上TINA仿真文件吗？

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Martin：

LMH6629.TSCOPA695用的是Pspice

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Martin：

第一级放大电路放大倍数异常的大，第二级放大倍数异常的小：

1、请问和中间的25欧姆隔离电阻有关系吗？这个隔离电阻对于OPA695和LMH6629分别取多少合适？

2、关于LMH6629，不管我取Rf=1k，Rg=100还是Rf=249，Rg=25，第一级测得放大倍数都是50倍，完全不符合计算值，测试点在25欧姆电阻之前，请问可能是什么原因？

3、对于OPA695，中间采用25 Ohm隔离电阻，当Rf=402，Rg=75，第一级放大了8倍，第二级放大了3倍；当Rf=348，Rg=36z，第一级放大了14倍，第二级放大了6倍；

4、对于OPA695，中间采用电容隔直再重新分压，当Rf=348，Rg=36，第一级放大了50倍，第二级基本没放大，但第二级也产生了很大的相移；当Rf=383，Rg=50时，第一级放大了70倍，第二级缩小了1.5倍；

总之，不管什么接法，第一级放大倍数都异常的大，请问是什么原因导致的？应该如何调整

另外，两个运放带宽貌似都不够达到，当100MHz的时候，相移在30-50°，请问还有什么办法能拓宽带宽吗？谢谢

非常不好意思，问题有些繁琐也有点多，期待您能解答，谢谢

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Amy Luo：

我在想是不是和阻抗匹配有关，如下figure 50中的两个806Ω电阻和57.6Ω电阻共同决定了电路的输入阻抗是50Ω，那么信号发生器产生的信号输入至此放大电路需要设置信号发生器输出阻抗50Ω，因此请您检查这一点。

下面电路建议您去掉R31，且输入对地需要接RT匹配电阻，使500//500//RT=50Ω。

下面电路同理，输入需要对地接RT电阻，参考datasheet中电路，RT=57.6Ω

输出端同理，也要做阻抗匹配。您先测量一级电路，一级正常后，再调理二级电路。

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Martin：

您好，感谢解答

我之前按您说的做过阻抗匹配，只是输出结果变小了一些，大概二分之一，但是放大倍数仍然异常。尝试后发现不接那个阻抗匹配电阻Rt在100MHz对信号质量影响不太大，为了避免因为阻抗匹配导致电压减半，我就去掉了。

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Martin：

然后我只测了第一级，发现在10MHz的时候放大倍数基本是正常的，但是100MHz比10MHz时多放大了十倍，不知道是不是100MHz频域响应有尖峰？我尝试在Rf上并小电容，并没有缓解。

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Martin：

我发现不管是电流运放OPA695还是电压运放LMH6629，第一级在10MHz时放大倍数都相对比较合理，但是切换到100MHz后，放大倍数大幅增加，且相移大幅增大。请问这个频域的尖峰会不会带来什么问题？能让芯片长时间工作在尖峰频率吗？测试时波形比较干净且芯片没有严重发烫。

（OPA695在仿真当中，100MHz时两级加起来相移才30度，但是现在第一级就100度左右。）

另外请问有什么办法能实现更小的相移吗？实际测试带宽比仿真小了太多…是因为寄生参数引入了极点嘛

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Amy Luo：

Martin said:然后我只测了第一级，发现在10MHz的时候放大倍数基本是正常的，但是100MHz比10MHz时多放大了十倍，不知道是不是100MHz频域响应有尖峰？

有关系的，100MHz频域响应有尖峰说明在100MHZ信号时电路增益大。

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Amy Luo：

Martin said:OPA695在仿真当中，100MHz时两级加起来相移才30度，但是现在第一级就100度左右。

频响有尖峰说明相位裕量低，电路稳定性不好。

Martin said:另外请问有什么办法能实现更小的相移吗？实际测试带宽比仿真小了太多…是因为寄生参数引入了极点嘛

应该是寄生参数的原因，您调节RF电阻，将RF电阻调大一些（相应的调节RG以调节电路增益）看是否有改善？

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Martin：

LMH6629刚开始用的Rf=240，Rg=24，后来换成了Rf=1k，Rg=100，相移确实小了一些（datasheet上显示Rf增加会有尖峰），但是再增加Rf最后输出貌似变得不稳定了。现在能实现的就是只用单级运放，在100MHz，设定Rf=1k，Rg=100，100MHz因为尖峰异常放大到50倍，相移70°左右。但是跟设计的不一样总感觉不太靠谱

另外OPA695更奇怪，用+5V供电，最后居然可以输出10.6Vpp。。。OPA695我试了挺多电阻值，带宽好像没啥改善

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Amy Luo：

我想先着重看OPA695的问题，后期再看LMH6629的问题，因为它们是不同类型的运放，解决方法不一样。

Martin said:另外OPA695更奇怪，用+5V供电，最后居然可以输出10.6Vpp。。。

您是怎样测量的？测试方法是否有问题，您可以换一种测量工具测量吗？

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Martin：

是用SMA接口，接到示波器测量的；将信号发生器直接接到示波器，波是正常的，设备应该没问题

因为时间有些紧急，需要这几天就搞出来，我感觉LMH6629希望更大些，OPA695电阻值换过一些了，带宽都没有提升，所以现在主要在看这个电压反馈运放；

目前我能实现的是用LMH6629单级运放，Rf=1k，Rg=100，理论放大11倍，10 MHz时实际放大倍数和计算差不多，但100 MHz时但级实际放大了50倍，有40°左右的相移，基本可以满足要求，但是工作状态感觉不太靠谱，不知道是不是长时间工作在频域的尖峰状态？请问这样可行吗？为何尖峰状态能实现比预期多放大这么多倍？原理不是很懂，期待您的解答，谢谢！

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Amy Luo：

您使用的是哪种封装的？LMH6629还比较特殊，它不是单位增益稳定运放，它内部带补偿，不同的封装最小稳定增益不同，不过11倍的增益两种封装都是稳定的。

您是在制作的PCB板上焊接的LMH6629上述仿真文件中的电路吗？我感觉可能与寄生参数有关，我想看下您的PCB layout

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Martin：

使用的是SOT-23-5封装，增益大于10了，应该是稳定的；

是在PCB板上做的，怀疑是不是焊锡上多了导致寄生参数加大了？谢谢

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Amy Luo：

两层板是吗？建议您看下datasheet Layout Guidelines部分，里面提到了元器件的选择，建议您看下所使用电阻器件的频率特性曲线，特别是在100MHz的阻抗。

里面提到了文档 SNOA367，也建议看下，里面讲了寄生电容参数的影响

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Martin：

是两层板；

关于电阻特性曲线，之前没有关注过，看了manufacturer提供的datasheet，电阻里面就没有出现和频率相关的特性，请问使用这种电阻会有影响嘛？翻看其他电阻的数据手册，也没有发现和频率特性相关的说明，请问应该特别购买什么样的电阻比较适合？

谢谢

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Martin：

另外，还有个AGC自动增益控制的问题想请教。我还用VCA821做了一个AGC电路，原理图和PCB layout如下；目前只焊了VCA821及其周边元器件，上电但不输入信号时发生自激。

+/-5V供电电源由DC-DC converter产生，有几十mV的尖峰spike，输出电压波形亦如下；

请问该自激是因为该PCB layout的设计缺陷导致的吗？还是因为电源输出的spike导致的？有什么办法可以避免嘛？谢谢！

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Amy Luo：

因为电阻本身就具有寄生参数（寄生电容和电感），这些寄生参数在高频应用中会影响电路的性能，设计电路时需要考虑，如下截图是我在网上找到的一个1KΩ电阻的频响，可以看出在10MHZ时还能保持在1KΩ，但是在100MHZ时其阻值下降到约200Ω了，因此这个频率特性很重要。

元件本身的寄生参数是一方面，另一方面是PCB引入的寄生参数，这个要看PCB layout guidelines相关注意事项，

关于AGC的问题，建议您另发新帖

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Amy Luo：

Martin said:请问应该特别购买什么样的电阻比较适合？

建议您看下射频电阻类