運用JFET輸入放大器於高速應用的優勢

電壓反饋放大器 (voltage-feedback amplifiers)通常可根據裝置中的電晶體類型進行分類，像是雙極、互補式金屬氧化物半導體（CMOS）或接面場效電晶體（JFET）。部分的放大器亦會同時使用這兩種電晶體，使得放大器於各階段中皆獲得相對應的優勢。例如，JFET輸入放大器包含一個採用JFET的輸入差動對（input differential pair），與後續使用雙極電晶體的增益和輸出級，可產生極大的放大器輸入阻抗。

JFET輸入放大器可用於測試與量測類比前端、電流感測放大器、類比數位轉換器（ADC）驅動器、光電二極體轉阻放大器（photodiode transimpedance amplifiers），或透過多工器用作多通道感測器接口。本文將以OPA2810為例，探討使用JFET輸入放大器於上述應用的優勢。OPA2810是一款110MHz、27V、寬輸入差動電壓（VIN, Diff）容差軌至軌輸入/輸出FET輸入放大器。

資料採集和電流感測
測試和量測設備使用放大器作為單位增益緩衝器，或非反相增益配置來量測電壓訊號。該設備必須在不干擾測定量的情況下量測電壓訊號，此功能可透過JFET輸入放大器中的高阻抗輸入和低偏壓電流來實現。在功率分析儀和示波器中，前端的大阻抗衰減器更需要採用高阻抗輸入放大器。
JFET輸入和CMOS放大器的輸入端，與輸入差動對電晶體的閘極連接，僅產生極小的偏壓電流。OPA2810的輸入阻抗非常高，約2pA的偏壓電流在其輸入共模電壓範圍內變化最小，這可以透過使用主JFET輸入級以及在正電源2.5V內運作的CMOS輔助級實現。電流感測應用量測的是電流流過分流電阻器所引起的電壓降，如圖1所示，OPA2810採用±12V電源供電時，隨著輸入共模電壓（線性工作區遠離電源）改變，偏壓電流的變化相對較小，有助於大幅減小輸入訊號擺幅的偏移電壓變化，提供高精確度電流感測電路。
測量和量測設備仍必須準確地在放大器輸出上重新產生輸入訊號，OPA2810具備卓越的75mA線性輸出驅動能力，因此可提供出色的失真性能。由於設備通常採用線路供電，因此放大器必須在大於24V的電源電壓下運作。

 

圖1：OPA2810的輸入共模電壓與偏壓電流變化圖

寬頻光電二極體跨阻抗應用
在寬頻光電二極體跨阻抗應用中，透過採用如圖二配置的放大器，光電二極體電流可被轉換為電壓。儘管高速放大器的增益寬帶產品對於實現大閉環增益非常有效，但JFET輸入放大器中的低輸入電流雜訊和偏壓電流，有助於透過使用高和極高跨阻抗增益，來提高電路中的輸出雜訊性能，同時降低偏壓電流所導致的輸出電壓偏移。工程師必須使用反饋電容CF使電路保持穩定，請參考「跨阻抗放大器需知—PART Ｉ」文中的公式，計算圖2中各零組件的數值，進而得出圖3中所示的增益幅度和相位圖。

圖 2：具備反饋補償電容的光電二極體跨阻抗放大器電路

圖 3：圖2中跨阻抗放大器的增益幅度和相位波德圖（Bode plots）

多通道輸入資料採集系統
與輸出阻抗相對較高的感測器對接時，高阻抗輸入放大器格外有用。這種多通道系統通常會透過多工器將這些感測器與訊號鏈連接起來。您可以使用圖4a所示的電路和放大器來連接每個感測器，並連接到多工器的輸入端。圖4b的交流電路，則使用單一快速建立放大器，將多工器輸出端直接與感測器連接。如此會導致通道間切換時產生大訊號瞬態，其中放大器的處理性能和最大允許輸入差動電壓變得更加重要。 圖4c顯示了在OPA2810的非反相輸入端施加8V階躍時的輸出電壓和輸入差動電壓，OPA2810是圖4b中所配置的一個單位增益緩衝器。

圖 4（a）: 具有多個緩速建立放大器的多通道感測器前端;
圖 4（b）: 使用單一快速建立OPA2810;
圖 4（c）: 採用OPA2810的大訊號瞬態響應

由於快速輸入瞬態，放大器受到擺動限制，且輸入端彼此停止追蹤（圖4c中最大VIN, Diff為7V），直到輸出達到其最終值並且負反饋迴路閉合。對於VIN, Diff額定值為0.7-1.5V的標準放大器，您必須使用與輸入針腳串聯的限流電阻來防止發生不可逆的損壞，如此也會限制零組件的頻率反應。OPA2810內建輸入鉗位，可提供VIN, Diff高達7V的應用，不僅無需使用外部電阻，也不會損壞零組件或改變性能規格。由於輸入級結構與快速建立性能相結合，使OPA2810非常適用於多通道感測器多工系統。


ADC驅動器
在多數的相關應用中，高速放大器可能會驅動循序漸近式（SAR，successive approximation register）或管線式（pipeline）ADC。由於ADC會在抽樣間隔期間開關輸出電容器，所以在驅動這些轉換器時，必須使用放大器來防止發生輸入負載。對於快速抽樣速率，ADC輸入必須在數據產生之前迅速穩定在0.5 LSB以內，由於其增益帶寬乘積（gain-bandwidth product）更大，因此可以使用高速放大器，從而實現環路增益並改善穩定性能。如圖5所示，OPA2810在130ns左右穩定在最終值的0.001%內，輸入步進為10V，單一增益為24V。由於其具有較大的迴轉率（slew rate）和快速建立性能，您可以使用OPA2810放大器在輸入端將多個較低頻率訊號數位化。在供應電壓高於ADC的情況下使用高壓JFET輸入放大器，有助於利用ADC的全輸入動態範圍，以達到更佳的訊噪比和失真比（SINAD）。

圖 5：大訊號瞬態和穩定響應

 

因此，如同OPA2810一般的JFET輸入放大器，具有高抗阻輸入、出色的失真性能、快速建立和寬範圍電源，可為上述不同的高速應用帶來諸多優勢。欲瞭解更多資訊，歡迎進一步瀏覽德州儀器的高抗阻輸入高速放大器系列產品，選擇最符合您應用需求的產品 因此，如同OPA2810一般的JFET輸入放大器，具有高抗阻輸入、出色的失真性能、快速建立和寬範圍電源，可為上述不同的高速應用帶來諸多優勢。欲瞭解更多資訊，歡迎進一步瀏覽德州儀器的高抗阻輸入高速放大器系列產品，選擇最符合您應用需求的產品

 

其他資源

• 下載類比設計期刊文章，「放大器中的源極電阻和雜訊注意事項 」。
• 閱讀部落格文章，「跨阻抗放大器須知 – PART Ｉ 」。
• 觀看培訓影片，「有關運算放大器（op amp）的雜訊、頻寬與穩定性 」等超過40部培訓影片。
• 查看德州儀器高速放大器，取得更多技術資源。