THS6092EVM评估模块：高速运算放大器设计的得力助手

在高速运算放大器的设计与评估领域，德州仪器（TI）的THS6092EVM评估模块无疑是一款极具价值的工具。它不仅能帮助设计师评估THS6092运算放大器的性能，还为高速PCB设计提供了优秀的范例。接下来，我们就深入了解一下这款评估模块。

文件下载：THS6092EVM.pdf

一、评估模块概述

1.1 模块描述

THS6092EVM为开发高速运算放大器应用电路提供了一个平台。它包含THS6092高速双运算放大器、多个无源组件，以及各种特性和占位，方便用户进行实验、测试和验证不同的运算放大器电路实现。其PC板尺寸为4.095×2.855英寸。

1.2 评估模块特性

• 有源终端能力：R6和R11提供了有源终端功能。
• 缓冲电路：R19和C5组成的缓冲电路，可与有源终端配合使用。
• 接收路径信号接口：TP1至TP4为接收路径信号提供了接口。
• 非反相增益配置：适用于DSL的非反相增益配置。
• 虚拟接地能力：通过JP1、R20和R21实现虚拟接地。
• ADSL高通滤波功能：C3和R7可实现ADSL的高通滤波功能。
• 单放大器增益级能力：R9、R10、R22和C2可实现单放大器增益级。
• 电源差分高频路径短回路长度：C8保证了电源差分高频路径的短回路长度。

1.3 工作条件

THS6092EVM的电源电压范围为±2.5 V至±6 V（或5 V至12 V单电源），电源电流ICC可参考器件数据手册。如需完整的THS6092放大器IC规格、参数测量信息和额外的应用信息，可查阅THS6092数据手册（TI文献编号SLOS264）。

1.4 默认配置

EVM具有一个功能完整的示例电路，只需添加电源、信号源和监测仪器即可使用。默认配置为差分增益，由R5、R16和R7与串联匹配电阻R17和R18共同决定，并假设J6和J7输出端连接50Ω负载。为清晰起见，第3章的应用原理图中省略了一些组件，如R10、C6至C15、FB1、FB2、JP1、J3、J4和J5。

二、使用方法

2.1 所需设备

• 双直流输出电源（±6 V，最小输出200 mA）
• 两个分辨率为1 mA的直流电流表，能够承受直流电源的最大输出电流
• 50Ω源阻抗函数发生器（1 MHz，5 V (5 ~V_{pp}) 正弦波）
• 示波器（最小带宽50 MHz，50Ω端接BNC输入）

2.2 电源设置

将直流电源设置为±6 V，如有可能，将电流限制设置为200 mA。确保电源关闭后，进行以下连接：

• 将+6 V电源连接到电流表2的+输入端（如果适用）。
• 将电流表2的–输入端连接到EVM上的J6（+Vcc）。
• 将–6 V电源连接到电流表1的−输入端（如果适用）。
• 将电流表1的+输入端连接到EVM上的J4（–Vcc）。
• 确保两个直流电流表的分辨率至少为1 mA，并能承受电源的最大输出电流。
• 将+6 V和–6 V电源的接地端连接到EVM上的J5（GND）。
• 验证JP1连接到1−2位置（下部引脚）。

2.3 输入和输出测试设置

将函数发生器设置为1 MHz、±1.5 V ((3 V_{pp})) 正弦波，无直流偏移。关闭函数发生器后，进行以下连接：

• 使用BNC电缆将函数发生器连接到EVM上的J1（IN1 BNC）。
• 使用BNC电缆将示波器连接到EVM上的J6（OUT1 BNC）。将示波器设置为1 V/Division，时基为0.2 µSec/Division。注意：示波器必须设置为50Ω端接才能正常工作。

三、应用示例

3.1 标准增益配置

THS6092EVM的默认配置是一个全差分输入、全差分输出的增益级，其差分增益计算公式为： [Differential gain =frac{V{O}( diff )}{V{I}( diff )}=1+frac{2 × R 5}{R 7} quad] 其中 (R5 = R 16) ，串联电阻R17和R18会影响J6和J7的输出电压，设计师需要考虑负载阻抗和R17/R18的分压定律。

3.2 单电源操作

约一半的设计使用单电源，THS6092EVM支持单电源操作。要转换为单电源操作，需进行以下操作：

• 将电源的接地端连接到J5（GND）和J4（−VCC）。
• 使用跳线插头将JP1的2和3引脚连接在一起，以连接到半电源分压器。
• 安装4.99 kΩ 1%的电阻R4、R14、R20和R21，R20和R21创建半电源电位（该级的虚拟接地），R4和R14将此电位求和到运算放大器的非反相输入端。
• 移除R2和R13，C1和C4用作直流阻挡电容器。

3.3 有源终端

有源终端技术允许设计师使用小阻值的串联电阻（R17或R18），通过正反馈使该电阻的阻抗从线路侧看起来更大，从而实现两个目的：

• 线路驱动器放大器向线路传输信号时，呈现非常小的电阻，降低驱动器级输出电压摆幅范围要求。
• 从线路看向放大器时，实现适当的匹配阻抗。 有源反馈产生的阻抗 (Z(Omega)) 计算公式为： [Z(Omega)=frac{R{S}}{1-frac{R{F}}{R{P}}} (2)] 输入到输出的简化正向增益 (A{V}) 计算公式为： [A{V}=frac{V{O} pm}{V{in } pm}=frac{1+left(frac{R{F}}{R{G} | R{P}}right)}{1-left(frac{R{F}}{R{P}}right)left(frac{R{L}}{R{L}+R{S}}right)} iff R{L}<{P}] 其中 (R{L}=frac{R_{LINE }}{2 n^{2}}) ，n为变压器的匝数比。需要注意的是，有源终端是一个非常复杂的主题，建议仔细阅读TI应用报告《Active Output Impedance for ADSL Line Drivers》（SLOA100）以获得更全面的理解。

3.4 缓冲电路

R19和C5位于EVM上，可实现缓冲电路。一些变压器具有较高的谐振频率（低至25 MHz，高至150 MHz），使用传统终端（仅R17和R18，无有源终端）时，通常无需使用这些组件。但使用有源终端时，这两个电阻值的有效阻抗会大幅下降，可能导致放大器与变压器之间的电阻隔离非常小，从而引发谐振问题。结合R6和R11的反馈路径，可能会导致放大器振荡。缓冲电路可用于消除这种振荡，选择合适的缓冲电路值的经验公式为： [R 19=2 × frac{R{LINE }}{n^{2}}] [C 5=frac{1}{2 × pi × R 19 × F{C}} (6)] 其中 (F_{C}) 至少为最高工作频率的10倍（ADSL最高工作频率为1.104 MHz），20倍或更大可能更合适。

3.5 接收路径实现

EVM上的测试点TP1至TP4便于在信号链中添加接收信号路径。由于ADSL是全双工的，实现接收路径时必须使用混合器，混合器可消除TX信号，使线路上的RX信号通过。THS6092EVM不包括接收或混合电路，TI假设客户更愿意实现自己的专有混合设计，因为每个客户都了解其标称线路阻抗特性，能够更好地进行匹配。TI有一个包含THS6062 ADSL接收器的EVM，可单独购买以构建完整的ADSL收发接口。

3.6 高通滤波器

由于ADSL CPE设计为在25.875 kHz至138 kHz之间传输，C3和R7可用于实现高通滤波功能，它们的选择通常比25 kHz低20倍左右（约1.25 kHz）。一些设计使用电容器，而有些则不使用。该路径允许两个通道之间设置共同的增益，有助于（但不能保证）信号真正实现差分。需要注意的是，高通滤波功能并非真正的高通滤波器，C3与R7串联在约10 Hz处产生一个零点，当频率从约3 kHz降至10 Hz时，电路从增益级变为两个单位增益缓冲器。

3.7 单端增益级

虽然ADSL是THS6092EVM的明显应用，但它也可配置用于其他应用。如果移除公共增益电阻R8，一系列组件可用于构建各种直流和交流耦合增益级。例如，移除R9，使R10为0Ω，用0Ω跳线短接C2和C3，并使R7和R22成为两个独立级的增益电阻，可形成两个直流耦合增益级。如果用户出于某种原因不想使用公共增益电阻R7，可移除R8并使用R9和C2（通过R10）或仅使用R22和C2/R10，这种冗余设计是因为PCB布局使这些节点与放大器通道距离过远，该设计可提供良好高频性能所需的较短连接路径。

四、高速放大器PCB布局技巧

THS6092EVM的布局专为高速信号设计，可作为设计包含THS6092的PCB的示例。在设计过程中，需要注意以下几点：

4.1 组件选择

选择表面贴装组件，因为其引线电感极低，有助于最小化杂散电感和电容。此外，由于表面贴装组件体积小，布局可以非常紧凑。

4.2 电源旁路

在电源输入焊盘处使用钽电源旁路电容器，可过滤实验室电源的开关瞬变。电源旁路电容器应尽可能靠近IC电源输入引脚放置，以最小化返回路径阻抗，提高高频旁路能力并减少谐波失真。这些电容器的GND端应彼此靠近，以最小化与差分输出电流相关的差分电流环路。如果观察到高频性能不佳，可将0.1µF电容器替换为在产生问题的频率处具有自谐振的微波电容器。

4.3 接地平面

高速电路设计应在PCB的两侧使用适当的接地平面，为返回电流路径提供低电感接地连接。但在放大器输入引脚区域，应移除接地平面，以最小化杂散电容并减少接地平面噪声耦合到这些引脚，这对于反相输入引脚尤为重要，因为反相输入处低至1 pF的电容可能会显著影响放大器的响应甚至导致振荡。

4.4 信号线路

一般来说，信号线路应尽可能短而直。当信号线路长度超过1英寸时，建议采用微带或带状线技术。这些走线必须设计为具有50Ω或75Ω的特性阻抗，具体取决于应用要求。信号线路还必须用适当的电阻进行正确端接。

4.5 散热设计

使用PowerPAD封装的印刷电路板必须在设计中包含散热功能，以有效散热。至少，PowerPAD封装下方必须有一个镀锡铜区域，称为热焊盘。热焊盘的大小取决于所使用的PowerPAD封装、PCB结构和需要散发的热量。此外，根据PCB结构，热焊盘可能包含也可能不包含热过孔，热焊盘和热过孔的要求可参考 http://www−s.ti.com/sc/techlit/slma002 和 http://www−s.ti.com/sc/techlit/slma004 。

4.6 端接设计

所有输入和输出必须在布局或负载仪器中进行正确端接。未端接的线路（如同轴电缆）可能对放大器呈现为感性负载，通过用特性阻抗端接传输线，放大器的负载将呈现为纯电阻性，并且反射将在线路的两端被吸收。使用输出端接电阻的另一个优点是将电容性负载与放大器输出隔离，这有助于最小化放大器相位裕度的降低，提高放大器稳定性，减少峰值和建立时间。在使用双电源的电路板上，直接在正负电源之间放置一个电容器有助于全差分驱动。

五、EVM硬件描述

5.1 物料清单

THS6092EVM的物料清单包含了各种组件，如铁氧体磁珠、电容器、电阻器、连接器等，具体信息可参考原文中的表格。

5.2 印刷电路板布局

文档中提供了THS6092EVM的顶层、内部平面、底层的布局图以及完整的原理图，为设计师提供了详细的硬件信息。

总之，THS6092EVM评估模块为高速运算放大器的设计和评估提供了丰富的功能和优秀的范例。通过合理使用该模块，并遵循高速放大器PCB布局技巧，设计师可以更高效地开发出高性能的电路。你在使用类似评估模块时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享。