【導讀】在低噪聲電路中放大傳感器產(chǎn)生的小信號是一個非常常見但困難的問題。鑒于其固有的低閃爍 (1/f) 和寬帶噪聲,設計人員通常會使用具有雙極輸入的運算放大器 (op amp) 來實現(xiàn)這種放大。
在低噪聲電路中放大傳感器產(chǎn)生的小信號是一個非常常見但困難的問題。鑒于其固有的低閃爍 (1/f) 和寬帶噪聲,設計人員通常會使用具有雙極輸入的運算放大器 (op amp) 來實現(xiàn)這種放大。當感興趣的小信號由具有高源阻抗的傳感器產(chǎn)生而無法向放大器的輸入端提供足夠的電流時,雙極運算放大器會帶來另一個挑戰(zhàn)。雙極運算放大器具有納安或更大范圍內的高輸入偏置電流,并且相對于其 CMOS 和結型場效應晶體管 (JFET) 輸入對應物的輸入阻抗較低。
雙極輸入將加載一個傳感器,例如一個高源阻抗麥克風,它會產(chǎn)生幾千分之一伏的信號。這種加載會降低音頻音質和動態(tài)范圍并使信號失真。您可以選擇帶有 JFET 前端的運算放大器,例如德州儀器 (TI)的OPA145;但是,您將無法像使用分立元件那樣靈活地偏置電路,并且您可能會犧牲額外的電流以獲得相對于高達 20 kHz 的音頻信號帶寬的不需要的帶寬。
雖然 CMOS 和 JFET 輸入級具有相當?shù)钠秒娏鳎?JFET 器件的噪聲性能要好得多。此外,JFET 具有比 CMOS 器件更高的增益(跨導)。TI 的JFE150 等分立式 JFET后接雙極運算放大器(例如OPA202)確實提供了一種通過靈活偏置實現(xiàn)高輸入阻抗和低噪聲的方法(圖 1)。
圖 1 JFET 前置放大器閉環(huán)電路通過靈活偏置實現(xiàn)低噪聲。資料來源:德州儀器
要了解該電路的工作原理,讓我們從在輸入端檢查它開始。傳感器將產(chǎn)生一個小信號輸入電壓 (v in ),它調制JFET的柵源電壓 (v gs )。JFE150 是前置放大器電路中的第一個增益級,傳導小信號漏源電流,i ds = g m × v gs,隨 v in波動。不要將小信號電流 i ds與直流偏置電流 I DS = 2 mA混淆,如圖 1 所示??鐚г鲆鎱?shù) (g m ) 以西門子表示,v gs以伏特表示。
結合電阻器 R 1,OPA202 運算放大器形成一個跨阻放大器,將電流 g m × v gs轉換為電壓 v out。OPA202 運算放大器將驅動環(huán)路以保持其輸入端大致相等。結果,大部分電流g m × v gs將流過中頻帶頻率的電阻器R 1,在v out處產(chǎn)生放大電壓。公式 1 計算前饋增益 (A v ):
A v ≈ g m × R 1 (V/V) (1)
您可以使用圖 2 中的模擬測量將 g m從分貝轉換為西門子 (mA/V) 或 Ω -1,如公式 2所示。
克米= 10 -36.08dB /20分貝= 15.7 MS(2)
圖 2使用 g m (dB) 與頻率 (Hz) 的關系圖將分貝轉換為西門子。資料來源:德州儀器
公式 3 和公式 4 表明前饋增益為:
A v = 15.7 mS × 1 MΩ = 15.7 kV/V (3)
甲分貝=83.92分貝(4)
由于晶圓工藝變化可產(chǎn)生高達 30% 的 g m變化,因此添加反饋網(wǎng)絡 (β) 將保持可預測的閉環(huán)增益。反饋網(wǎng)絡β由電阻R F2、R S1和R S2以及電容C s 組成,是一個串并聯(lián)反饋網(wǎng)絡。β 網(wǎng)絡通過分流 OPA202 的輸出來采樣 v out并反饋與 v gs串聯(lián)的成比例電壓 v fb。在頻率下,C s變?yōu)槎搪罚?5 和公式 6 將小信號增益表示為大約:A cl ≈ R F /R S2 + 1 (5)
A cl ≈ 1001 V/V 或 60 dB (6)
JFET 的源極節(jié)點是電路的反饋求和節(jié)點。在此配置中,環(huán)路是閉合的。如果 v out上升,則 v fb上升。源節(jié)點處v fb的增加會降低v gs,導致流經(jīng)跨阻電阻器R 1的電流g m × v gs減少。最終結果是 v out的減少,從而完成了前置放大器的負反饋回路。圖 3顯示了 JFET 前置放大器電路的閉環(huán)增益與頻率響應的關系。
圖 3顯示了 JFET 前置放大器電路的閉環(huán)增益 (dB) 與頻率 (Hz) 響應。資料來源:德州儀器
JFE150 前置放大器電路提供 60 dB 的極高增益和從大約 17 Hz 到 43 kHz 的平坦頻率響應。轉角頻率處的干凈滾降為音頻信號提供了一個自然的聲音濾波器,而不會在低端和高端聽起來很突然。這種閉環(huán)解決方案還在 10 Hz 的 1/f 區(qū)域提供 1.99 nV/√Hz 的極低輸入?yún)⒖荚肼?,?1 kHz 的寬帶區(qū)域提供 1.18 nV/√Hz,如圖 4所示。確保為該電路提供干凈的電源,以免降低其卓越的性能。
圖 4輸入?yún)⒖茧妷涸肼暶芏扰c頻率曲線強調了閉環(huán)解決方案。資料來源:德州儀器
在專業(yè)麥克風、音頻接口、混音器、轉盤和吉他放大器等應用中放大小信號非常具有挑戰(zhàn)性。這些類型的應用可以受益于分立 JFET 提供的偏置靈活性、高輸入阻抗和低噪聲。
Chris Featherstone 是 Planet Analog 的 Signal Chain Basics 博客 #169 的作者,是德州儀器 (TI) 的應用工程師。
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