全差分單片放大器可明顯改善波形質量

一些半導體公司最近幾年開始提供全差分放大器了，但這種放大器應用在尖端電子設備已經有幾十年了。這些差分放大器在輸入端和輸出端都是差分的，輸出范圍也得以加倍放大。它們的輸入和輸出端口都是封閉路徑，沒有公共接地節(jié)點。與地隔離可改善波形質量。由于保持了輸入和輸出電路回路本身的完整性，接地僅對靜態(tài)分析和共模范圍才顯得重要。

電子設備的領先技術

盡管電子行業(yè)沒有Indy 500或Grand Prix這樣的重大賽事來現(xiàn)場測試新的概念車，但電子產品的開發(fā)也有自己的測試場所。例如，在第二次世界大戰(zhàn)期間，麻省理工學院的輻射實驗室在雷達研發(fā)方面取得了一些出色的成果。甚至直到今天，人們仍然很羨慕那個時代的“Rad Lab”文獻，其中包含一些電子產品所采納的理論著述。再早期的例子還有在RCA開發(fā)電視的Vladimir Zworykin提出的理論。這是一個真正的技術突破，完全不同于現(xiàn)今產品的漸進式改進。

在20世紀50年代，泰克（Tektronix）公司擁有一幫極具創(chuàng)新精神的工程師，包括Howard Vollum、Jack Murdock、Cliff Moulton、John Kobbe（JK觸發(fā)器就是他發(fā)明的），以及Bill Polits等。他們不但開發(fā)出了可在實驗室里使用的陰極射線示波器，而且營造出了最激勵人的理想技術開發(fā)環(huán)境。在由技術創(chuàng)新驅動的示波器市場上，一度贏得超過70％的市場份額，其成功的根本就在于先進的工程技術。因為創(chuàng)始人本身就是很有發(fā)明創(chuàng)造力的工程師，泰克是一家典型的工程導向、鼓勵創(chuàng)意創(chuàng)新的企業(yè)。

Tek和HP（現(xiàn)為Keysight）是測試和測量（T＆M）儀器公司的杰出典范，而高性能測量儀器則是電子行業(yè)的“賽道”。畢竟，為了測量所開發(fā)電路的性能特征，測量儀器電路本身必須要足夠好。結果，在T＆M設備中發(fā)現(xiàn)了很多有趣的電路，而差分放大器就是其中的一個。

示波器內的差分放大器

示波器使用全差分放大器已經有幾十年啦（為什么它們需要這么長時間才成為商用IC呢？），它們通常可見于垂直放大器中，探頭電壓按精確增益放大，然后將放大的波形應用于CRT的垂直偏轉板。除了第一級（通常由接地參考探頭驅動）外，它們都是全差分放大器。

為了演示，我們來看看Tek T935A 35 MHz示波器的垂直放大器的，雖然現(xiàn)在已經過時，但它在20世紀70年代可是最先進的，并且成本低廉。

圖1中的輸入緩沖放大器級是從手冊上掃描的。（順便說一句，舊的Tek“使用說明書”中的電路圖可真是藝術作品，是今天的CAD圖紙比不了的，這就是科技進步的代價！）

第一級由JFET Q4222A和B組成。探頭波形輸入到Q4222B的柵極。它與下方的另一個JFET形成x1緩沖放大器，輸入和輸出之間的偏移電壓接近零。這是通過使用匹配的JFET，并將下面的JFET作為電流源來實現(xiàn)的。其柵極連接到-8V電源，R4225（源極的20Ω電阻）兩端的電壓VGS對應其上方JFET中流過的漏極電流。JFET是匹配的，在相同的電流下，上方的JFET具有相同的VGS。因此，相應的20Ω電阻R4224的下端電壓與輸入柵極電壓相同，并將JFET偏置在零TC工作點。上方的JFET的電流隨著Q4232的基極電流略微增加，但是很小，匹配是足夠的。

該放大器在第二級驅動全差分放大器，由Q4232和Q4234組成。只有上方的BJT（Q4232）需要由放大的波形驅動，而下方的輸入在Q4234的基極，動態(tài)（交流）接地到示波器探頭電路接地端，從而完成輸入電路的返回。由于垂直放大器（與所有放大器一樣）具有輸入偏移誤差，未使用的輸入可用于輸入偏移誤差調整，這在示波器術語中叫直流平衡。平衡表示示波器放大器是高差分的，必須使放大器的兩側在相同的靜態(tài)（直流）條件下工作。

第二級的輸出也是差分的。該級僅是一個發(fā)射極跟隨器，沒有電壓增益，但需要向JFET緩沖器提供高輸入阻抗，并以低阻抗驅動第三級。換言之，它為下一級提供了一個電壓源。然而，在其差分輸出端，輸入波形尚未達到差分平衡，因為發(fā)射極跟隨器之間沒有增益相互作用，并且它們之間沒有發(fā)生輸入波形的分裂。第二級僅在有2個輸入和2個輸出時才是差分的。在沒有電壓增益的情況下，輸入差分電壓等于輸出差分電壓。

延遲線的后面三級如圖2所示，這是同一個放大器的延續(xù)。

Q4258和Q4268組成一個全差分放大器級，共用發(fā)射極電阻R4254，這是一個阻值為63.4Ω、誤差為1％的電阻。電阻R4257和R4267連接到-8V電源，比R4254大得多，接近BJT發(fā)射器的電流源。

上方Q4258 BJT基極的波形通過發(fā)射極電路分開，并與下方Q4268 BJT共用（差不多各占一半），因此在負載電阻上出現(xiàn)平衡波形，具有相同的幅度和相反的極性。如果將R4254或RE分成兩個值為RE/2的串聯(lián)電阻，那么它們的中點將是平衡輸入差分放大器的“虛地”空節(jié)點。在此級，輸入波形幅度的一半（僅應用于上方BJT）將出現(xiàn)在空節(jié)點處。

下一級（Q4274，Q4284）是一個互補共源共柵放大器的后半部分——共基極。它是完全差分的，最終的共集電極（Q4276，Q4286）也是如此。

級增益

要計算互補共源共柵級的差分電壓增益，請注意Q4274和Q4284的發(fā)射極增量（或小信號）電阻（分流均為825Ω的電阻R4271和R4281）要小得多，因此大多數(shù)ΔIC（即來自Q4258和Q4268的增量電流）流經Q4274和Q4284，在負載電阻R4273和R4283（均為499Ω）兩端產生電壓。825Ω電阻的目的是為共基級提供發(fā)射極偏置電流。級增益主要由集電極負載電阻和發(fā)射極電阻R4254決定：

其中上下電壓由下標u和l表示。它們的區(qū)別在于輸入和輸出差分電壓。放大器的上側和下側都會影響總增益，所以在Av的BJT增益前面x2。因為RE（R4254）非常接近BJT的動態(tài)發(fā)射極電阻re，所以更好的增益近似是在增益方程的分母中將RE增加2 x re，其中：

Av?-12.9，每個BJT的發(fā)射極電流為3.72mA。負載電阻下一級輸入阻抗的加載以及兩個共源共柵BJT的電流損耗α被忽略。你覺得放大器設計師想要獲得-10的增益嗎？

結語

全差分單片放大器已經面世多年，例如ADI AD8138，用于驅動高分辨率ADC和其它高性能（高速和高精度）放大器應用。其實，它們的前身已經在示波器中使用了幾十年。測量儀器電路中是否還有其它好的單片放大器產品可能被半導體公司挖掘出來？