为输入找到最合适的匹配

     我们应该感谢计算机同行，尤其是游戏社区。在这里工作的家伙们已经将处理器技术推到了极限，使采用CMOS的数字化设计越来越受欢迎，而且也更加便宜。下面是工程师关于CMOS工艺的一些探讨。

　　T博士：你的新设计是采用了CMOS工艺吗？

　　Dave：是的，这是需要一个学习曲线的。尽管我已经在模拟双极器件方面做了很多工作，但对我来说CMOS仍是新的东西。许多事情之间是类似的，但也有很大的区别。

　　T博士：既然你采用了CMOS的新工艺，可有什么有趣的见解？

　　Dave：上个星期有了一个惊喜。我发现了一个关于放大级存在相关失真的问题。

　　T博士：是不是差分输入？

　　Dave：是的，采用的是单端输出。在信号范围内，相位响应比允许的规格变化更多，如图1所示，而我无法修复它。

图1 非平衡八阻抗的视频失真

　　T博士：那么你做了哪些工作？

　　Dave：哦，我在尝试一种旧的双极方法。我认为这个问题源于采用了CMOS放大器。CMOS的增益比双极器件更低，所以经常通过使用非常大的器件来进行补偿。

　　T博士：听起来电容也应该很大。

　　Dave：没错。放大器的输入电容几乎达到了微微法，这对一个高速视频放大器来说是很大的。

　　T博士：所以我们通常用一个反馈电容来补偿以防止峰化（peaking）。

　　Dave：确实如此！但问题是，输入电容会随信号电压而变化，严重时会引起信号失真。有一种办法可以平衡它，即通过成比例（ratiometric）的方法，来减少IC设计中的失真，这里称为简单比率方法。这有点像标准反馈方程，其中Gain = Rf/Rin。一个芯片上的RF和Rin会因温度和工艺而有所不同。有一些芯片的Rf为10k，另一些可能为8.756k，但我们需要的增益是不变的。如果我们用某种材料制作一个电阻，终阻值为1k左右。如果我们把10个Rf串联在一起，得到约10k的电阻，把5个Rin串联在一起，得到约5k的电阻。这样，我们的增益达到了10/5=2。但值得注意的是，由于Rf和Rin是出于相同的“单位电阻”，因而不管实际电阻值如何变化，电阻率都是相同（等于2）。我们感兴趣的结果是增益，且只取决于该比率，而不是电阻的。

　　T博士：这个像带隙（bandgap）中的二极管比率（diode ratio）。

　　Dave：对！简单比率很好地控制了工艺、温度和信号变化。终，我发现在这个电路中负输入端到放大器的阻抗约为10k，而正输入端的阻抗非常低，大约为100欧姆。

　　T博士：这在电路中创建了一个节点。信号路径通过序列节点流经一个电路，每个节点都具有储存电荷（电容）和耗散电荷（电阻）的能力。这些值的乘积得出了该节点的时间常数。该时间常数的倒置就是极点（以弧度/秒表示）。

　　Dave：没错。因此，我们的放大器在两个输入节点上都有极点，一个极点出自反馈阻抗和输入电容C，而其他极点出自源阻抗和输入电容C。因此，反馈回路实际上“纠正”了由10k（并联的R1和R2……固定电阻）、反馈C1（固定电容）和输入C（可变电容）组成的不同的时间常数，如图2所示。但是正输入端不会受到影响。如果反馈网络出现相位滞后，放大器将由输出端出现的相位超前来响应。

图2 不同输入C的补偿

　　T博士：这是由于反馈方程改变了反馈网络的结果。

　　Dave：当然。在小范围内，效果十分有效。反馈中的一个小相位延迟会使反馈网络的输出出现一个小相位超前。为了在两个输入端获得相同的效果，我需要在输入端增加电阻，这样其RC乘积就可以匹配反馈RC乘积。

　　T博士：这听起来像双极运算放大器中的平衡DC电流。你需要使两个输入端的等效电阻相同，以尽量减少偏移。

　　Dave：就是这样！如果平衡了正输入端和负输入端的RC延迟，那么，当C随着信号变化时，两个RC都将变化，并有效地相互抵消。所以，我在信号到正输入端之间串联了一个R。现在我在两个输入端得到了同样的结果，就如同在DC的情况下，它们都会抵消。我的失真几乎消失了！问题解决了。

图3 利用平衡输入阻抗减少视频失真

　　T博士：你可以将电阻器减小到比如100欧姆，以进一步减少这种影响，对吗？

　　Dave：是的。但另一方面放大器必须驱动100欧姆的电阻，而不是10k电阻……这需要更大的功率。

　　T博士：所有这些延迟……都不会影响放大器的稳定性吗？

　　Dave：如果我们让它变得足够大时就会有影响。值得注意的是，实际解决办法是在输入端，而不是反馈端，因此它不会对稳定性产生不利影响。而且，我们必须在所有条件和信号下对电路进行仿真，以确保我们获得了正确的数据。

　　T博士：不错，一点创造性的分析给出了一个解决方案，而没有出现功率恶化。酷！你使用众所周知的DC解决方案解决了新的AC问题。

　　Moral：要不断学习。你永远不知道什么时候一个旧的或新的电路技巧将帮助你摆脱困境！