AD8015寬帶/差分輸出跨阻放大器：特性、應(yīng)用與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

一、引言

在電子工程領(lǐng)域，尤其是光纖通信和低噪聲放大等應(yīng)用中，高性能的跨阻放大器至關(guān)重要。AD8015作為一款寬帶、單電源跨阻放大器，以其出色的性能和廣泛的適用性，成為眾多工程師的選擇。本文將深入介紹AD8015的特性、應(yīng)用場(chǎng)景、技術(shù)參數(shù)以及設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)。

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二、AD8015的特性

2.1 高性能指標(biāo)

AD8015具有諸多優(yōu)秀的性能指標(biāo)。它擁有240 MHz的帶寬，能夠滿足高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，如在FDDI接收器和SONET/SDH接收器中可支持高達(dá)155 Mbps的數(shù)據(jù)速率，甚至能支持超過(guò)300 Mbps的數(shù)據(jù)速率。其脈沖寬度調(diào)制為500 ps，上升/下降時(shí)間僅為1.5 ns，能夠快速響應(yīng)信號(hào)變化。輸入電流噪聲在100 MHz時(shí)為3.0 pA/√Hz，總輸入均方根噪聲在直流到100 MHz范圍內(nèi)為26.5 nA，低噪聲特性使得它在對(duì)噪聲敏感的應(yīng)用中表現(xiàn)出色。

2.2 寬動(dòng)態(tài)范圍與高靈敏度

該放大器具有寬動(dòng)態(tài)范圍，光學(xué)靈敏度在155.52 Mbps時(shí)可達(dá) -36 dBm，能夠適應(yīng)不同強(qiáng)度的光信號(hào)輸入。其峰值輸入電流可達(dá)350 A，可處理較大的輸入信號(hào)。

2.3 低功耗與寬溫度范圍

AD8015采用低功耗設(shè)計(jì)，在5 V電壓下電流僅為25 mA。同時(shí)，它具有寬工作溫度范圍，從 -40°C到 +85°C，能夠在不同的環(huán)境條件下穩(wěn)定工作。

2.4 差分輸出

差分輸出是AD8015的一個(gè)重要特性，它可以直接驅(qū)動(dòng)ECL，或者驅(qū)動(dòng)比較器/光纖后置放大器，方便與其他電路進(jìn)行接口。

三、應(yīng)用場(chǎng)景

3.1 光纖接收器

在光纖通信領(lǐng)域，AD8015可用于SONET/SDH、FDDI、光纖通道等光纖接收器中。它能夠?qū)?a target="_blank">光電二極管的電流轉(zhuǎn)換為差分電壓輸出，為后續(xù)的信號(hào)處理提供合適的信號(hào)形式。而且，它與高電容探測(cè)器配合使用時(shí)能穩(wěn)定工作，適用于各種光纖接收電路。

3.2 低噪聲前置放大器

由于其低噪聲特性，AD8015可作為低噪聲前置放大器，用于放大微弱信號(hào)，提高系統(tǒng)的靈敏度。

3.3 單端到差分轉(zhuǎn)換

在需要將單端信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)的應(yīng)用中，AD8015可以很好地完成這一任務(wù)，為系統(tǒng)提供差分信號(hào)輸出。

3.4 I - V轉(zhuǎn)換器

它還可以作為電流 - 電壓轉(zhuǎn)換器，將輸入的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，滿足不同電路的需求。

四、技術(shù)參數(shù)詳解

4.1 動(dòng)態(tài)性能

• 帶寬：典型值為240 MHz，最低為180 MHz，能夠滿足大多數(shù)高速應(yīng)用的需求。
• 脈沖寬度調(diào)制：為500 ps，確保對(duì)脈沖信號(hào)的精確處理。
• 上升和下降時(shí)間：1.5 ns，快速響應(yīng)信號(hào)變化。
• 建立時(shí)間：定義為從施加完美階躍輸入到輸出進(jìn)入并保持在最終值指定誤差帶內(nèi)的時(shí)間，典型值為3 ns。

4.2 噪聲特性

• 輸入電流噪聲：在100 MHz時(shí)為3.0 pA/√Hz。
• 總輸入均方根噪聲：在直流到100 MHz范圍內(nèi)為26.5 nA。

4.3 傳輸特性

• 跨阻：?jiǎn)味藶?0 kΩ，差分為20 kΩ。
• 電源抑制比：?jiǎn)味藶?7.0 dB，差分高達(dá)40 dB，能夠有效抑制電源噪聲的影響。

4.4 輸出特性

• 差分失調(diào)：典型值為6 mV。
• 輸出共模電壓：在正輸入電流、負(fù)載電阻為無(wú)窮大時(shí)為 -1.3 V。
• 電壓擺幅（差分）：在正輸入電流、負(fù)載電阻為50 Ω時(shí)為600 mV p - p。
• 輸出阻抗：典型值為50 Ω。

4.5 電源與工作范圍

• 電源電壓：?jiǎn)坞娫礊?+5 V，雙電源為 ±2.25 V。
• 電流：典型值為25 mA。
• 工作溫度范圍：AD8015ACHIP/AR為 -40°C到 +85°C。

五、絕對(duì)最大額定值

在使用AD8015時(shí)，需要注意其絕對(duì)最大額定值，以避免對(duì)器件造成永久性損壞。例如，電源電壓范圍為 -12 V到 +12 V，內(nèi)部功耗在小外形封裝下最大為0.9瓦，輸出短路持續(xù)時(shí)間為無(wú)限，最大輸入電流為10 mA，存儲(chǔ)溫度范圍為 -65°C到 +125°C，最大結(jié)溫為 +165°C，焊接時(shí)引腳溫度范圍為 +300°C（10秒）。

六、光纖接收器應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

6.1 光電二極管連接

在光纖接收器應(yīng)用中，光電二極管可以連接到正電源或負(fù)電源。當(dāng)光電二極管連接到正電源時(shí)，具有更好的電源噪聲抑制能力；連接到負(fù)電源時(shí)，光電二極管的反向偏置電壓更大，可減小其電容，從而增加帶寬。

6.2 旁路電容選擇

VBYP引腳的電壓比正電源低約1.8 V，該引腳必須通過(guò)電容C1旁路到信號(hào)地。如果存在較大的電源噪聲，建議將C1連接到 +VS以提高抗噪聲能力。為了獲得最佳性能，C1應(yīng)滿足 (C 1>1 /(2 pi ×1000 times f{MIN})) ，其中 (f{MIN}) 是最小有用頻率（Hz）。

6.3 降低噪聲

AD8015的 (I{IN}) 引腳周圍的引腳（引腳1和3）應(yīng)保持未連接狀態(tài)，以最小化引腳封裝電容。同時(shí)，應(yīng)避免在引腳1、2和3附近設(shè)置接地平面或金屬走線，以減小 (I{IN}) 引腳的雜散電容，從而在高頻下保持低噪聲水平。

七、靈敏度分析

7.1 SONET OC - 3靈敏度分析

對(duì)于SONET OC - 3系統(tǒng)，最小帶寬約為110 MHz。假設(shè)單極點(diǎn)響應(yīng)，總電流噪聲為 ((pi / 2) × 26.5 nA) 。為了保持誤碼率 (BER<1 ×10^{-10}) ，最小電流水平需要大于541 nA（峰值）。假設(shè)典型的光電二極管電流/功率轉(zhuǎn)換比為0.85 A/W，則靈敏度（最小功率水平）為 -32.0 dBm（峰值）， -35.0 dBm（平均），相比SONET OC - 3規(guī)范有1 dB的余量。

7.2 FDDI靈敏度分析

FDDI系統(tǒng)的最小帶寬約為88 MHz，總電流噪聲為39 nA。為了保持誤碼率 (BER<2.5 ×10^{-10}) ，最小電流水平需要大于492 nA（峰值）。靈敏度為 -32.4 dBm（峰值）， -35.4 dBm（平均），相比FDDI規(guī)范有4.4 dB的余量。

八、工作原理

AD8015的輸入級(jí)由Q3和Q1組成，Q3以接地發(fā)射極方式工作。放大器的第一級(jí)作為積分器，將電流積分到 (I{IN}) 引腳。積分器驅(qū)動(dòng)一個(gè)差分級(jí)，增益分別為 +3和 -3。差分級(jí)再驅(qū)動(dòng)發(fā)射極跟隨器，正輸出通過(guò)驅(qū)動(dòng) (R{FB}) 提供反饋。差分輸出通過(guò)Q7和Q8進(jìn)行緩沖。其帶寬通過(guò)工廠將R5調(diào)整為60 Ω來(lái)設(shè)置在標(biāo)稱值240 MHz的 ±20% 范圍內(nèi)。

九、應(yīng)用案例：155 Mbps光纖接收器

在一個(gè)155 Mbps光纖接收器的應(yīng)用中，PIN二極管前端連接到單模1300 nm激光源。AD8015的輸出驅(qū)動(dòng)一個(gè)3 dB截止頻率為100 MHz的差分、恒定阻抗（50 Ω）低通π濾波器，濾波器的輸出交流耦合到AD807的輸入。AD807的PLL阻尼因子通過(guò)0.22 μF電容設(shè)置為10。整個(gè)電路封裝在屏蔽盒中，該電路能夠在低至 -39.25 dBm的平均輸入功率下獲取并保持鎖定。

十、交流耦合光電二極管應(yīng)用

通過(guò)將光電二極管電流輸入交流耦合到AD8015，可以將光纖接收器的過(guò)載能力提高3 dB，同時(shí)僅犧牲1 dB的靈敏度，從而將接收器的動(dòng)態(tài)范圍增加2 dB。在這種應(yīng)用中，需要注意最小化AD8015輸入的寄生電容，以及 (R{AC}) 和 (C{AC}) 的選擇。 (C_{AC}) 選擇為0.01 μF時(shí)，低頻截止頻率為2.2 kHz。

十一、總結(jié)

AD8015作為一款高性能的寬帶/差分輸出跨阻放大器，具有低噪聲、寬帶寬、寬動(dòng)態(tài)范圍等諸多優(yōu)點(diǎn)，適用于多種光纖通信和低噪聲放大應(yīng)用。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，工程師需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇電路參數(shù)，注意降低噪聲、優(yōu)化電源和旁路電容等問(wèn)題，以充分發(fā)揮AD8015的性能優(yōu)勢(shì)。你在使用AD8015的過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。