30. 如何理解模拟集成电路模块系列之十四：均衡放大器？

大家好！今天我想讲讲一种在长距离驱动应用场景下经常被使用的功能模块：均衡放大器。它主要是为了通过将放大器的输出特性在高频处进行形变，从而来抵消均衡放大器的输入级的被长距离传输后衰减的信号畸变，从而恢复出较好的输出信号，以便后面放大器或时钟数据恢复电路能够进行无误码的识别。所以在高频电路，特别是在几十Gbps的高速电路中，它是一个不可或缺的功能模块。

为了能更好的对均衡放大器进行讲解，我从电路结构和性能参数两个方面对其进行分析；从电路结构方面看，均衡放大器分为偏置电路、输入级、均衡级、输出级四个部分；其中偏置电路是为输入级、输出级提供工作点，它主要决定均衡放大器的工作电流和基本器件的截止频率；输入级是均衡放大器的第一级电压放大级，它的输入信号为差分电压信号，同时其输入共模电平和前级模块的输出信号匹配；均衡级是在基本的差分电压放大器基础上添加了均衡网络，从而改变电压放大器的传输函数，特别是其在高频点上的增益，一般采用的方式在高频点上添加一个零点，从而改变增益曲线的下降斜率，这样来改变原有的增益曲线，达到均衡的目的；输出级主要功能是为了适应后级电路的共模输入电平，从而调整放大器的输出电平，这样来驱动后级的电路。

均衡放大器的性能参数也和其他功能模块一样，有四个类型：输入特性、输出特性、交流特性、极限特性；第一类型，输入特性是工作电压、工作电流、最大输入电压，工作电压一般表现出均衡放大器电路对工作环境的适应程度，如果工作电压范围广，则适应性强；如果工作电压范围窄，则工作条件比较苛刻；工作电流决定了均衡放大器电路在恒定电压下的功耗，对于均衡放大器而言，工作电流的变化主要受工艺偏差的影响，当均衡放大器的器件处于大信号工作模式，电流变化也是周期性的，所以一般会采用平均工作电流来进行评估，但是在评估均衡放大器需要供电模块的输出功率时，就需要采用最大工作电流这个指标；最大输入电压是指均衡放大器能够线性放大的最大输入信号，因为如果输入信号电压幅度太大，而由于均衡放大器的增益一定，输出幅度会超过均衡放大器的最大输出能力，从而使得均衡放大器进入到非线性放大区，这样使得均衡放大器工作失效。

第二个类型，输出特性是输出幅度、上升/下降时间、温度系数。输出幅度是均衡放大器的主要性能，它是放大器能够输出的最大电压幅度，一般这个值必须在均衡放大器的最大输入电压范围内，不然会导致均衡放大器进行非线性放大区，从而工作实效；上升/下降时间时在均衡放大器正常工作时对随机信号放大输出后的瞬态特性，它间接反应了均衡放大器的高频特性，同时也决定了放大器输出眼图的质量；温度系数是在均衡放大器在温度每升高1℃时电压增益变化的百分比。

第三个类型，交流特性是高频截止频率、均衡度、最高增益频点、均衡起始频点、均衡频率范围、等效输入噪声，高频截止频率是均衡放大器的重要指标，它决定了均衡放大器能够处理的最高速率信号，这决定了放大器能应用的速率场景数量；均衡度是均衡放大器的核心指标，它决定了均衡放大器能处理的最大衰减的传输距离，一般它是频响特性中最高增益和对应频率的十分之一处的增益的差值；最高增益频点是频响特性中最大增益对应的频点，这个值需要和长距离传输线的衰减频率相对应，这样才能较好的抵消相关频点上增益衰减；均衡起始频点是指传输函数中在高频阶段，当增益开始进行增加时对应的频点，这个频点决定了均衡放大器能够修正畸变信号的最低频率；均衡频率范围指的是从均衡起始频点到均衡结束频点之间的范围，它表示了均衡放大器能够修正畸变信号的频率范围；等效输入噪声是均衡放大器的主要指标，它决定了均衡放大器可以处理的最小输入电压信号的大小。

最后一个类型，极限特性是：最大工作电压、工作温度范围。这个最大工作电压和输入电压范围的区别在于，在最大工作电压下可能均衡放大器电路工作不正常了，但在输入电压范围的最大值时，均衡放大器电路必须是正常工作的。工作温度范围是指PN结温下的范围，它和均衡放大器的温度范围有些许区别，一般来说，极限特性下工作温度范围会比均衡放大器的温度范围宽。

好，总结一下，这一讲我从四个电路部分，偏置电路、输入级、均衡级、输出级和十四个性能参数，工作电压、工作电流、最大输入电压、输出幅度、上升/下降时间、温度系数、高频截止频率、均衡度、最高增益频点、均衡起始频点、均衡频率范围、等效输入噪声、最大工作电压、工作温度范围，对均衡放大器电路进行了分析，希望对大家有所帮助！