在高速應(yīng)用中使用JFET輸入放大器有哪些優(yōu)勢

作為這篇文章的介紹，讓我提供一些背景知識。電壓反饋放大器有時根據(jù)器件中晶體管的類型進(jìn)行分類：雙極互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體 (CMOS) 或結(jié)型場效應(yīng)晶體管 (JFET)。一些放大器甚至可以使用這些晶體管的組合來在不同的放大器級中提取它們的好處。例如，JFET 輸入放大器包括一個使用 JFET 的輸入差分對，可實(shí)現(xiàn)非常大的放大器輸入阻抗，其后是使用雙極晶體管的增益和輸出級。

JFET 輸入放大器用作測試和測量模擬前端、電流檢測放大器、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。在這篇文章中，我將以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 (V IN,Diff ) 容錯軌到軌輸入/輸出 FET 輸入放大器。

數(shù)據(jù)采集??和電流傳感

測試和測量設(shè)備使用放大器作為單位增益緩沖器或采用同相增益配置來測量電壓信號。設(shè)備必須在不干擾測量量的情況下測量電壓信號，這可以通過 JFET 輸入放大器中的高阻輸入和低偏置電流實(shí)現(xiàn)。在功率分析儀和示波器中，前端存在大阻抗衰減器使得使用高阻輸入放大器變得更加必要。

JFET 輸入和 CMOS 放大器的輸入與輸入差分對晶體管的柵極相連，這會在幾皮安范圍內(nèi)產(chǎn)生非常小的偏置電流。OPA2810 的輸入阻抗非常高，偏置電流約為 2pA，其輸入共模電壓范圍內(nèi)變化很小. 電流感應(yīng)應(yīng)用測量由流經(jīng)分流電阻器的電流引起的電壓降。偏置電流隨輸入共模電壓的變化（遠(yuǎn)離電源的線性工作區(qū)域）變化相對較小，如圖 1 所示，OPA2810 在 ±12V 電源下工作，有助于最大限度地減少失調(diào)電壓隨輸入信號擺幅的變化,

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測試和測量設(shè)備還必須在放大器輸出端準(zhǔn)確地重建輸入信號，這得益于 OPA2810 的出色失真性能，因?yàn)樗哂?75mA 的大線性輸出驅(qū)動能力。由于設(shè)備通常是線路供電的，因此放大器必須在高于 24V 的電源電壓下工作。

圖 1：OPA2810 的偏置電流隨輸入共模電壓的變化

寬帶光電二極管跨阻應(yīng)用

在寬帶光電二極管跨阻應(yīng)用中，光電二極管電流通過配置如圖 2 所示的放大器轉(zhuǎn)換為電壓。雖然高速放大器的增益帶寬積可用于實(shí)現(xiàn)較大的閉環(huán)增益，但其低輸入電流噪聲JFET 輸入放大器中的偏置電流和偏置電流有助于提高使用高到非常高跨阻增益的電路的輸出噪聲性能，同時減少偏置電流引起的輸出電壓偏移。您必須使用反饋電容器 C F來使該電路穩(wěn)定。計算圖 2 中組件的值，使用這篇博文“您需要了解的跨阻放大器，第 1 部分”中的公式，得到圖 3 中所示的增益幅度和相位圖。

圖 2：具有反饋補(bǔ)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)

當(dāng)與具有相對高輸出阻抗的傳感器連接時，高阻輸入放大器特別有用。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。您可以將圖 4a 中所示的電路與放大器一起使用，以與每個傳感器連接并連接到多路復(fù)用器的輸入端。另一個電路，如圖 4b 所示，在直接連接到傳感器的多路復(fù)用器的輸出端使用單個快速穩(wěn)定放大器。這會在通道之間切換時產(chǎn)生大信號瞬態(tài)，此時放大器的穩(wěn)定性能和最大允許輸入差分電壓開始變得重要。

圖 4c 顯示了在圖 4b 中配置為單位增益緩沖器的 OPA2810 的非反相輸入端施加 8V 階躍時的輸出電壓和輸入差分電壓。

圖 4：具有多個慢速建立放大器的多通道傳感器前端 (a)；使用具有快速穩(wěn)定功能的單個 OPA2810 (b)；使用 OPA2810 的大信號瞬態(tài)響應(yīng) (c)

由于快速輸入瞬態(tài)，放大器受到壓擺限制，輸入停止相互跟蹤（最大 V IN,Diff為 7V，見圖 4c），直到輸出達(dá)到其最終值并且負(fù)反饋環(huán)路閉合。對于 0.7-1.5VV IN,Diff額定值的標(biāo)準(zhǔn)放大器，您必須在輸入引腳上串聯(lián)限流電阻，以防止不可逆的損壞，這也限制了器件的頻率響應(yīng)。OPA2810 具有內(nèi)置輸入鉗位，允許應(yīng)用高達(dá) 7V 的 V IN,Diff，無需外部電阻器，也不會損壞設(shè)備或改變性能規(guī)格。這種輸入級架構(gòu)加上其快速建立性能，使 OPA2810 非常適合多通道傳感器多路復(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 的輸入電容器在采樣間隔期間切換進(jìn)出，因此在驅(qū)動這些轉(zhuǎn)換器時必須使用放大器來防止輸入負(fù)載。對于快速采樣率，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)，這可以通過使用高速放大器來實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樗鼈兙哂懈蟮脑鲆鎺挿e，從而產(chǎn)生環(huán)路增益并提高了穩(wěn)定性能. OPA2810 在大約 130ns 內(nèi)穩(wěn)定到最終值的 0.001% 以內(nèi)，輸入階躍為 10V，24V 電源電壓為單位增益，如圖 5 所示。由于其大壓擺率和快速穩(wěn)定性能，您可以使用 OPA2810 放大器在其輸入端數(shù)字化多個低頻信號。在高于 ADC 的電源電壓下使用高壓 JFET 輸入放大器有助于通過使用 ADC 的全輸入動態(tài)范圍來提高信噪比和失真比 (SINAD)。

圖 5：大信號瞬態(tài)和穩(wěn)定響應(yīng)

因此，JFET 輸入放大器（如OPA2810 ）憑借其高 Z 輸入、卓越的失真性能、快速穩(wěn)定和寬電源范圍，在上述不同的高速應(yīng)用中提供了多種優(yōu)勢。請務(wù)必查看TI的高阻輸入高速放大器系列，以選擇最適合您的應(yīng)用要求的一款。

審核編輯：符乾江