在高速應(yīng)用中使用JFET輸入放大器的優(yōu)勢

作者：德州儀器Bharat Agrawal

電壓反饋放大器可根據(jù)器件中的晶體管類型進(jìn)行分類：雙極互補金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）或是結(jié)型場效應(yīng)晶體管（JFET）。一些放大器同時使用這兩種晶體管，在放大器各階段中獲得對應(yīng)的益處。例如，JFET輸入放大器包含一個采用JFET的輸入差分對，可產(chǎn)生非常大的放大器輸入阻抗，之后是使用雙極晶體管的增益和輸出極。

JFET輸入放大器可用作測試和測量模擬前端、電流感測放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）驅(qū)動器、光電二極管跨阻放大器，或通過多路復(fù)用器用作多通道傳感器接口。本文將以O(shè)PA2810為例，討論在這些應(yīng)用中使用JFET輸入放大器的優(yōu)勢。OPA2810是一款110MHz、27V、寬輸入差分電壓（VIN， Diff）軌至軌輸入/輸出FET輸入放大器。

數(shù)據(jù)采集和電流感測

測試與測量設(shè)備使用放大器作為單位增益緩沖器，或非反相增益配置來測量電壓信號。該設(shè)備必須在不干擾測定量的情況下測量電壓信號，這一操作可以通過JFET輸入放大器中的高阻抗輸入和低偏置電流來實現(xiàn)。在功率分析儀和示波器中，前端的大阻抗衰減器使得更需要采用一款高阻抗輸入放大器。

JFET輸入和CMOS放大器的輸入端與輸入差分對晶體管的柵極連接，可在幾微微安范圍內(nèi)產(chǎn)生非常小的偏置電流。OPA2810的輸入阻抗非常高，約2pA的偏置電流在其輸入共模電壓范圍內(nèi)變化最小，這可以通過使用主JFET輸入級以及在正電源2.5V內(nèi)工作的CMOS輔助級實現(xiàn)。電流感測應(yīng)用測量電流流過并聯(lián)電阻器所引起的電壓降。如圖1所示，OPA2810采用±12V電源供電時，隨著輸入共模電壓（線性工作區(qū)遠(yuǎn)離電源）的變化，偏置電流變化相對較小，有助于最大限度地減小輸入信號擺幅的偏移電壓變化，提供高精度電流感測電路。

測試與測量設(shè)備還必須準(zhǔn)確地在放大器輸出上重新創(chuàng)建輸入信號，由于具有75mA線性輸出驅(qū)動能力，因此OPA2810具有出色的失真性能。由于設(shè)備通常采用線路供電，因此放大器必須在大于24V的電源電壓下工作。

圖1：OPA2810具有輸入共模電壓的偏置電流變化

寬帶光電二極管跨阻抗應(yīng)用

如圖2所示，在寬帶光電二極管跨阻抗應(yīng)用中，通過使用配置的放大器，光電二極管電流被轉(zhuǎn)換為電壓。盡管高速放大器的增益帶寬積對于實現(xiàn)大閉環(huán)增益非常有用，但JFET輸入放大器中的低輸入電流噪聲和偏置電流有助于通過使用高至甚高跨阻抗增益來提高電路中的輸出噪聲性能，同時降低偏置電流導(dǎo)致的輸出電壓失調(diào)。設(shè)計師必須使用一個反饋電容CF來使該電路保持穩(wěn)定。使用本文“需要了解跨阻抗放大器——第一部分”中的公式，計算圖2中各組件的值，得出圖3中所示的增益幅度和相位圖。

圖2：帶反饋補償電容的光電二極管跨阻放大器電路

圖3：圖2中跨阻放大器的增益幅度和相位波特圖

多通道輸入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

與輸出阻抗相對較高的傳感器對接時，高阻抗輸入放大器顯得尤其有用。這種多通道系統(tǒng)通常通過多路復(fù)用器將這些傳感器與信號鏈連接起來。您可以使用圖4a所示的電路和放大器來連接每個傳感器，并連接到多路復(fù)用器的輸入。如圖4b所示，備用電路在直接連接到傳感器的多路復(fù)用器輸出端，使用一個快速建立放大器，這樣會在通道間切換時產(chǎn)生大信號瞬變，其中放大器的處理性能和最大允許輸入差分電壓開始顯現(xiàn)重要性。

圖4c顯示了在OPA2810的同相輸入端施加8V階躍時的輸出電壓和輸入差分電壓，OPA2810是圖4b中所配置的一個單位增益緩沖器。

圖4：具有多個慢速建立放大器的多通道傳感器前端（a）；使用單個OPA2810進(jìn)行快速建立（b）；使用OPA2810的大信號瞬態(tài)響應(yīng)（c）

由于快速輸入瞬態(tài)，放大器受到擺動限制，輸入端彼此停止追蹤（圖4c中最大VIN， Diff為7V），直到輸出達(dá)到其最終值并且負(fù)反饋回路閉合。對于VIN， Diff額定值為0.7-1.5V的標(biāo)準(zhǔn)放大器，您必須使用與輸入引腳串聯(lián)的限流電阻來防止發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的損壞，這樣也會限制器件的頻率響應(yīng)。OPA2810具有內(nèi)置輸入鉗位，可實現(xiàn)VIN，Diff高達(dá)7V的應(yīng)用，無需使用外部電阻，也不會損壞器件或改變性能規(guī)格。這種輸入級結(jié)構(gòu)與快速建立性能相結(jié)合，使得OPA2810非常適合多通道傳感器復(fù)用系統(tǒng)。

ADC驅(qū)動程序

在大多數(shù)此類應(yīng)用中，高速放大器可能會驅(qū)動逐次逼近寄存器（SAR）或流水線ADC。由于ADC會在采樣間隔期間開關(guān)輸出電容器，所以在驅(qū)動這些轉(zhuǎn)換器時，必須使用放大器來防止發(fā)生輸入負(fù)載。對于快速采樣速率，ADC輸入需要在數(shù)字化開始之前快速穩(wěn)定在0.5 LSB以內(nèi)，由于其增益帶寬積更大，因此可以使用高速放大器，從而實現(xiàn)環(huán)路增益并改善穩(wěn)定性能。如圖5所示，OPA2810在約130ns內(nèi)穩(wěn)定在最終值的0.001%內(nèi)，具有10V的輸入階躍和24V電源的單位增益。由于其具有較大的擺率和快速處理性能，您可以使用OPA2810放大器在其輸入端將多個較低頻率的信號數(shù)字化。在電源電壓高于ADC的情況下使用高壓JFET輸入放大器，有助于通過使用ADC的全輸入動態(tài)范圍，實現(xiàn)更佳的信噪比和失真比（SINAD）。

圖5：大信號瞬態(tài)和穩(wěn)定響應(yīng)

因此，像OPA2810這樣的JFET輸入放大器，以其高抗阻輸入、出色的失真性能、快速處理能力和寬電源范圍，可以為上述不同的高速應(yīng)用中帶來多種益處。如需選擇最適合您應(yīng)用要求的高速放大器，請務(wù)必查看德州儀器的高抗阻輸入高速放大器系列。