實(shí)驗(yàn)室電路之高速FET輸入儀表放大器

作者：時(shí)間：2016-10-16 來源：網(wǎng)絡(luò)

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評(píng)估和設(shè)計(jì)支持

本文引用地址：http://www.butianyuan.cn/article/201610/307981.htm

電路評(píng)估板

CN-0273電路評(píng)估板(EVAL-CN0273-EB1Z)

設(shè)計(jì)和集成文件

原理圖、布局文件、物料清單

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 Vp-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 × 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)。