具有低輸入偏置電流和高交流共模抑制性能的高速FET輸入儀表放大器

　　電路功能與優(yōu)勢(shì)

　　圖1所示電路是一款高速FET輸入、增益為5的儀表放大器，具有35 MHz寬帶寬和10 MHz時(shí)55 dB的出色交流共模抑制（CMR）性能。該電路適用于需要高輸入阻抗、快速儀表放大器的應(yīng)用，包括RF、視頻、光學(xué)信號(hào)檢測(cè)和高速儀器儀表。高CMR和高帶寬特性還使其成為寬帶差分線路接收器的理想選擇。

　　大多數(shù)分立式儀表放大器需要昂貴的匹配電阻網(wǎng)絡(luò)才能獲得高CMR性能；然而，該電路使用一個(gè)集成式差動(dòng)放大器以及片內(nèi)匹配電阻改善性能、降低成本，并最大程度減少印刷電路板（PCB）布局面積。

　　圖1中的復(fù)合式儀表放大器電路具有下列性能：

　　失調(diào)電壓：4 mV（最大值）

　　輸入偏置電流：2 pA（典型值）

　　輸入共模電壓：−3.5 V至+2.2 V（最大值）

　　輸入差分電壓：±3.5 V/G1（最大值），G1表示第一級(jí)增益

　　輸出電壓擺幅：0.01 V至4.75 V（典型值，150 Ω負(fù)載）

　　−3 dB帶寬：35 MHz（典型值，G = 5）

　　共模抑制：55 dB（典型值，10 MHz）

　　輸入電壓噪聲：10 nV/√Hz（典型值，100 kHz RTI）

　　諧波失真：−60 dBc（10 MHz，G = 5，VOUT = 1 V p-p， RL = 1 kΩ）

　　圖1. 高速FET輸入儀表放大器（注意：未顯示電源去耦）

　　大多數(shù)全集成式儀表放大器采用雙極性或互補(bǔ)雙極性工藝制造，并針對(duì)低頻應(yīng)用優(yōu)化，具有50 Hz或60 Hz下的高CMR 性能。然而，用于視頻和RF系統(tǒng)中放大高速信號(hào)并提供高頻噪聲信號(hào)共模抑制特性的寬帶寬儀表放大器的需求正不斷增長(zhǎng)。

　　需要用到極高速度、寬帶寬的儀表放大器時(shí)，一種常見的方法是使用兩個(gè)高輸入阻抗的分立式運(yùn)算放大器來緩沖并放大第一級(jí)的差分輸入信號(hào)，然后在第二級(jí)中將單個(gè)放大器配置為差分放大器，以便提供差分至單端轉(zhuǎn)換。該配置通常稱為三運(yùn)放儀表放大器。這種方法需要使用4個(gè)相對(duì)昂貴的精密匹配電阻，以達(dá)到良好的CMR性能。如果匹配有誤差，則最終輸出也會(huì)產(chǎn)生誤差。

　　圖1所示電路能夠解決這一問題。該電路使用ADA4830-1 集成式高速差動(dòng)放大器。激光調(diào)整薄膜電阻以極高的精度匹配，因此無需使用4個(gè)相對(duì)昂貴的精密匹配外部電阻。

　　此外，使用高速雙通道ADA4817-2作為輸入級(jí)放大器，允許復(fù)合式儀表放大器提供高達(dá)80 MHz的帶寬，同時(shí)電路總增益為2.5。

　　采用4 mm &TImes; 4 mm LFCSP單封裝的雙通道ADA4817-2放大器和集成式ADA4830-1差動(dòng)放大器可極大地減少電路板空間，從而降低大型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本。

　　該電路可在噪聲環(huán)境中使用，因?yàn)锳DA4817-2和 ADA4830-1均提供低噪聲以及高頻下出色的CMR性能。

　　電路描述

　　該電路基于傳統(tǒng)的三運(yùn)放儀表放大器拓?fù)?，兩個(gè)運(yùn)算放大器用于輸入增益級(jí)，一個(gè)差動(dòng)放大器用于輸出級(jí)。該電路增益為5，帶寬為35 MHz

　　FET放大器輸入增益級(jí)

　　ADA4817-2（雙通道）FastFET放大器是具有FET輸入的單位增益穩(wěn)定、超高速電壓反饋型放大器。這些放大器采用 ADI公司的專有超快速互補(bǔ)雙極性（XFCB）工藝制造，工作噪聲極低，輸入阻抗非常高且速度快，適合要求高速和高源阻抗的應(yīng)用。

　　ADA4817-2運(yùn)算放大器配置為共享RG增益電阻。對(duì)于差分輸入，電路增益為1 + 2RF /RG。采用共模輸入時(shí)，無電流流過RG增益電阻。因此，該電路在共模輸入時(shí)用作緩沖器。隨后，第二級(jí)差動(dòng)放大器可有效移除共模輸入。

　　ADA4817-2的單位增益帶寬積fu等于410 MHz。其閉環(huán)帶寬可通過下式近似計(jì)算：

　　f−3 dB = fU/G1

　　其中，G1為第一級(jí)的增益。

　　對(duì)于該電路而言，由于第一級(jí)閉環(huán)增益為10，因此−3 dB帶寬估算值為41 MHz。該值非常接近35 MHz的測(cè)試帶寬。

　　PCB板上的寄生電容和容性負(fù)載可能會(huì)使第一增益級(jí)振蕩。使用低數(shù)值的反饋電阻，并使用反饋電容，可緩解這一問題。

　　本電路選用了200 Ω的反饋電阻。反饋電容CF 為2 pF，具有最佳帶寬平坦度。

　　差動(dòng)放大器和CMR

　　ADA4830-1是高速差動(dòng)放大器，具有寬共模電壓范圍，兼具高速和精密特性。它提供0.5 V/V的固定增益，−3 dB帶寬為84 MHz。通過片內(nèi)激光調(diào)整電阻，10 MHz時(shí)該器件的 CMR典型值為55 dB。

　　CMR是儀表放大器極為重要的規(guī)格參數(shù)，主要取決于第二級(jí)差動(dòng)放大器使用的4個(gè)電阻的比率匹配，如圖2所示。

　　圖2. 差動(dòng)放大器

　　通常，最差情況下的CMR由下式給出：

　　其中，Kr是以小數(shù)表示的單個(gè)電阻容差。上述等式表示最差情況下的CMR為34 dB，其中4個(gè)電阻具有相同的標(biāo)稱值 （1%容差）。該電路采用單芯片ADA4830-1差動(dòng)放大器而非分立式電阻，放大器片內(nèi)集成激光調(diào)整薄膜電阻，因此具有出色的CMR性能并節(jié)省PCB空間。直流時(shí)CMR是65 dB， 10 MHz時(shí)CMR是55 dB。

　　差分和共模電壓考慮因素

　　若要最大化輸入電壓范圍并簡(jiǎn)化電源要求，則電路第一級(jí)采用±5 V電源，而第二級(jí)采用+5 V。最大差分輸入范圍由 ADA4817-2的輸出擺幅決定。采用±5 V電源時(shí)，ADA4817-2 輸出擺幅為±3.5 V。因此，允許的最大差分輸入為±3.5 V/G1，其中G1表示第一級(jí)增益。請(qǐng)注意，需在允許的最大差分輸入和第一級(jí)閉環(huán)增益之間作出權(quán)衡。

　　下一步，分析共模電壓限制。ADA4817-2輸入端的共模電壓必須位于−VS 至+VS − 1.8 V之間，即采用±5 V電源時(shí)范圍為−5 V至+2.2 V。采用±5 V電源時(shí)，ADA4817-2的輸出擺幅限制為±3.5 V（參考ADA4817-2數(shù)據(jù)手冊(cè)）。因此，ADA4817-2 的輸出擺幅將電路的負(fù)輸入共模電壓限制為−3.5 V，從而復(fù)合電路允許的輸入共模范圍為−3.5 V至+2.2 V。

　　若要從該電路獲得高性能，必須采用良好的布局、接地和去耦技術(shù)。有關(guān)PCB布局詳情，請(qǐng)參考 指南MT-031、 指南MT-101，以及“高速印刷電路板布局實(shí)用指南” 一文。另外， ADA4817-2數(shù)據(jù)手冊(cè)和ADA4830-1數(shù)據(jù)手冊(cè)中還提供了布局指南。

　　電路性能

　　測(cè)試該復(fù)合電路的4個(gè)最重要參數(shù)：CMR、−3 dB帶寬、折合到輸入端的噪聲以及諧波失真，測(cè)試結(jié)果見圖3至圖6。

　　圖3顯示復(fù)合電路的CMR為−65 dB（直流），以及−55 dB （10 MHz）。圖4顯示增益為5時(shí)的帶寬為35 MHz，輸出負(fù)載為 100 Ω。圖5顯示100 kHz時(shí)，該復(fù)合電路折合到輸入的噪聲僅為10 nV/√Hz，并且較高頻率下的平帶噪聲為8 nV/√Hz。圖6顯示10 MHz時(shí)，電路的THD為60 dBc（VOUT =1 V p-p， RL= 1 kΩ）。

　　圖3. CN-0273 CMR

　　圖4. 復(fù)合電路的頻率響應(yīng)（VOUT= 1 V p-p，RL= 100 Ω）

　　圖5. 復(fù)合電路折合到輸入的電壓噪聲

　　圖6. 二次（HD2）和三次（HD3）諧波失真（VOUT = 1 V p-p，RL = 1 kΩ）

　　常見變化

　　通過增益電阻值RG，可方便地配置該電路的總增益，如圖 1所示。請(qǐng)注意，總增益越大，電路帶寬越窄。

　　可在速度較低的應(yīng)用中使用AD8274代替第二級(jí)中的差動(dòng)放大器。AD8274差動(dòng)放大器具有固定的增益2，因此電路可獲得更高的總增益。

　　若要增加輸入共模范圍和差分范圍，可使用±12 V供電且單位增益帶寬為145 MHz的軌到軌高速FET輸入放大器，如AD8065/ AD8066。