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用分立JFET放大低噪声电路中的小信号

时间:2022-02-28 05:25:00 作者:CHRIS FEATHERSTONE 阅读:
在低噪声电路中放大传感器产生的小信号是一个非常常见但又困难的问题。鉴于其固有的低闪烁(1/f)和宽带噪声,设计师通常使用双极输入的运算放大器(运放)来实现这种放大。当有用的小信号是由具有高源阻抗的传感器产生......
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在低噪声电路中放大传感器产生的小信号是一个非常常见但又困难的问题。鉴于其固有的低闪烁(1/f)和宽带噪声,设计师通常使用双极输入的运算放大器(运放)来实现这种放大。当有用的小信号是由具有高源阻抗的传感器产生,而由于高源阻抗无法向放大器的输入端提供足够大的电流时,双极运算放大器将面临另一个挑战。相对于与其对应的CMOS和结场效应晶体管(JFET)而言,双极运算放大器具有纳安量级或更大一些的高输入偏置电流和更低的输入阻抗。

双极运算放大器的输入将带载一个传感器,如一个可以产生几毫伏信号的高源阻抗麦克风。这种载荷将降低音频音质和动态范围,并使信号失真。当然,可以选择带有JFET前端的运算放大器,如德州仪器公司的OPA145;但却无法像使用分立元件那样灵活地设置偏置电路,可能还会牺牲额外的电流,换来的却是20kHz音频信号带宽之外的无用带宽。

虽然CMOS和JFET输入级具有大小相当的偏置电流,但分立JFET器件具有更好的噪声性能。此外,JFET比CMOS器件具有更高的增益(跨导)。分立JFET(如TI的JFE150)后面再跟一级双极运算放大器(如OPA202),具有灵活的偏置,即可提供一种实现高输入阻抗和低噪声的方法(见图1)。

图1:JFET前置放大器闭环电路有利于实现灵活偏置的低噪声。资料来源:德州仪器公司

为了理解这个电路的工作原理,让我们从输入端开始。传感器将产生一个小信号输入电压(vin),该信号用来调制JFET的栅源电压(vgs)。JFE150是前置放大器电路中的第一个增益级,传到小信号漏源电流(ids),ids=gm×vgs,该电流随vin变化。注意,不能将小信号电流ids与直流偏置电流IDS(IDS=2mA)相混淆,如图1所示。跨导增益参数(gm)用西门子表示,而vgs的单位为伏特。

OPA202运算放大器与电阻器R1形成一个跨阻放大器,将电流gm×VG转换为电压vout。OPA202运算放大器将驱动环路,使其两个输入端保持基本一致。因此,绝大部分电流gm×VG将在通带的中间通过电阻器R1,在vout处产生放大电压。方程式1计算前馈增益(Av):

Av≈gm×R1(V/V)            (1)

gm=10-36.08dB/20dB=15.7mS            (2)

图2:gm(dB)与频率(Hz)关系曲线图(单位分贝转换为西门子)。资料来源:德州仪器公司

Av = 15.7 mS × 1 MΩ = 15.7 kV/V                 (3)

AdB = 83.92 dB                  (4)

由于晶圆工艺变化可使gm产生高达30%的变化,因此添加反馈网络(β)将保持可预测的闭环增益。反馈网络β由电阻器RF2、RS1和RS2以及电容器Cs组成,是一个串联-并联负反馈网络。β网络通过分流OPA202的输出对vout进行采样,并反馈与VG串联的比例电压vfb。在通带频率上,Cs视为短路,等式5和等式6表示小信号增益,近似为:

Acl≈RF/RS2+1       (5)

Acl≈1001V/V or 60dB       (6)

JFET的源节点是电路的反馈求和节点。在此配置中,循环是闭合的。如果vout升高,则vfb升高。源节点处vfb的增加会降低VG,导致流过跨阻电阻器R1的电流gm×VG减小。最终结果是vout的降低,从而完成前置放大器的负反馈回路。图3显示了JFET前置放大器电路的闭环增益与频率响应。

图3:JFET前置放大电路的闭环增益(dB)与频率(Hz)响应关系图。资料来源:德州仪器公司

JFE150前置放大器电路可提供非常高的增益(高达60dB),在大约17Hz到43kHz之间提供平坦的频率响应。拐点频率处的滚降衰减为音频信号提供了一个自然的音频滤波器,而不会在低频端和高频端出现破音。该闭环解决方案的1/f(10Hz)噪声极低(低至1.99nV/√Hz),而在1kHz的宽频带范围内,噪声也低至1.18nV/√Hz,具体如图4所示。注意,为了保证卓越的性能,必须为该电路提供纯净的电源。

图4:闭环解决方案中输入参考电压噪声密度的频响曲线。资料来源:德州仪器公司

在专业麦克风、音频接口、混音器、调音器和吉他放大器等应用中,放大小信号非常具有挑战性。这些类型的应用可受益于能够提供偏置灵活性、高输入阻抗和低噪声的分立JFET放大器。

(参考原文: Amplify small signals in low-noise circuit with discrete JFET

本文为《电子工程专辑》2022年2月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。点击申请免费杂志订阅

责编:Amy.wu
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