在單端應(yīng)用中采用差分 I/O 放大器

引言

最近在低壓硅鍺和 BiCMOS 工藝技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)步已經(jīng)允許設(shè)計(jì)和生產(chǎn)速度非常高的放大器了。因?yàn)檫@些工藝技術(shù)是低壓的，所以大多數(shù)放大器的設(shè)計(jì)都納入了差分輸入和輸出，以恢復(fù)并最大限度地提高總的輸出信號(hào)擺幅。因?yàn)楹芏嗟蛪簯?yīng)用是單端的，那么問(wèn)題就出現(xiàn)了，“我怎樣才能在一個(gè)單端應(yīng)用中使用差分 I/O 放大器？”以及“這么使用可能產(chǎn)生什么結(jié)果？”本文探討一些實(shí)際產(chǎn)生的結(jié)果，并展示一些具體和使用 3GHz 增益-帶寬差分 I/O 放大器 LTC6406 的單端應(yīng)用。

    背景

    常規(guī)運(yùn)算放大器有兩個(gè)差分輸入和一個(gè)輸出。雖然增益的標(biāo)稱(chēng)值是無(wú)窮大的，但是可通過(guò)從輸出到負(fù)“反相”輸入的反饋來(lái)保持對(duì)增益的控制。輸出不會(huì)達(dá)到無(wú)窮大，但是差分輸入可以保持為零（如同除以無(wú)窮大一樣）。常規(guī)運(yùn)算放大器應(yīng)用的實(shí)用性、種類(lèi)和優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)有很豐富的記錄了，但似乎仍然不能窮盡。全差分運(yùn)算放大器一直研究得不夠徹底。

    圖 1 顯示了一個(gè)具有 4 個(gè)反饋電阻器的差分運(yùn)算放大器。在這種情況下，差分增益的標(biāo)稱(chēng)值仍然是無(wú)窮大，輸入通過(guò)反饋連接到一起，但是這不足以決定輸出電壓。理由是共模輸出電壓可以是任意值，卻仍然能導(dǎo)致為“零”的差分輸入電壓，因?yàn)榉答伿菍?duì)稱(chēng)的。因此，就任何全差分 I/O 放大器而言，始終存在另一個(gè)決定輸出共模電壓的控制電壓。這就是 VOCM 引腳的目的，也解釋了為什么全差分放大器器件至少有 5 個(gè)引腳（不包括電源引腳）而不是 4 個(gè)引腳。差分增益的等式為 VOUT(DM)  =  VIN(DM) • R2/R1。共模輸出電壓從內(nèi)部強(qiáng)制等于加到 VOCM 上的電壓。一個(gè)最終的結(jié)論是，不再存在單個(gè)反相輸入：兩個(gè)輸入都是反相和非反相的，視所考慮的是哪一個(gè)輸出而定。為方便電路分析，按照常規(guī)方法以“+”和“-”來(lái)標(biāo)記兩個(gè)輸入，而一個(gè)輸出帶有圓點(diǎn)標(biāo)記，表明它是“+”輸入的反相輸出。

任何熟悉常規(guī)運(yùn)算放大器的人都知道，非反相應(yīng)用在非反相輸入端有固有的高輸入阻抗，接近 GΩ 甚至 TΩ。但是在圖 1 所示的全差分運(yùn)算放大器這種情況下，存在到兩個(gè)輸入的反饋，因此不存在高阻抗節(jié)點(diǎn)。這個(gè)困難可以很幸運(yùn)地克服掉。


     全差分運(yùn)算放大器簡(jiǎn)單的單端連接

     圖 2 顯示了連接成單端運(yùn)算放大器的 LTC6406。僅有一個(gè)輸出被反饋回去，而且僅有一個(gè)輸入接收反饋。其他輸入現(xiàn)在是高阻抗的。

圖 2：反饋僅是單端的。這個(gè)電路是穩(wěn)定的，具有一個(gè)常規(guī)運(yùn)放那樣的高阻抗輸入。閉環(huán)輸出 (在這種情況下是 VOUT+ ) 是低噪聲的。從閉環(huán)輸出端能很好地得到單端輸出，從而提供了 1.2GHz 的 3dB 帶寬。開(kāi)環(huán)輸出 (VOUT–) 相對(duì)于 VOCM 具有 2 倍的噪聲增益，但是直到約 300MHz 都表現(xiàn)良好，高于這個(gè)頻率以后，會(huì)有明顯的通帶紋波。

LTC6406 在這個(gè)電路中工作得很好，而且仍然能提供一個(gè)差分輸出。然而，一個(gè)簡(jiǎn)單的試驗(yàn)揭示出了這種配置的缺點(diǎn)之一。設(shè)想所有的輸入和輸出都為 1.2V，包括 VOCM。現(xiàn)在再設(shè)想，驅(qū)動(dòng) VOCM 引腳，使其額外增高 0.1V?？赡苡凶兓奈┮惠敵鍪?VOUT –，因?yàn)?VOUT + 必須保持等于 VIN，因此為了將共模輸出升高 100mV，放大器不得不將 VOUT – 輸出總共提高 200mV。這就是由 100mV VOCM 漂移引起的 200mV 差分輸出漂移。這說(shuō)明了以下事實(shí)：全差分放大器的單端反饋從 VOCM 引腳到“開(kāi)路”輸出引入了 2 倍的噪聲增益。為了避免這種噪聲，只是不使用這個(gè)輸出就可以了，從而產(chǎn)生一個(gè)徹底的單端應(yīng)用?；蛘?，可以接受輕微的噪聲處罰，并使用兩個(gè)輸出。

  單端跨阻抗放大器

  圖 3 顯示，LTC6406 連接成為具 20kΩ 跨阻抗增益的單端跨阻抗放大器。BF862 JFET 緩沖 LTC6406 的輸入，從而極大地減輕了其雙極型輸入晶體管電流噪聲的影響。JFET 的 VGS 作為失調(diào)來(lái)考慮，但它的典型值為 0.6V，因此該電路在 3V 單電源時(shí)仍然能很好地工作，而且該失調(diào)可以用 10k 電位器去掉。時(shí)域響應(yīng)如圖 4 所示。在 20MHz 帶寬上的總輸出噪聲在 VOUT + 端為 0.8mVRMS，而在 VOUT – 端為 1.1mVRMS。以差分方式計(jì)算，跨阻抗增益為 40kΩ。

圖 3：跨阻抗放大器。超低噪聲 JFET 緩沖雙極型 LTC6406 輸入的電流噪聲，在沒(méi)有任何線索的情況下試著微調(diào)電位器，以獲得 0V 差分輸出。

結(jié)論

LTC6406 等新的全差分運(yùn)算放大器系列提供了前所未有的帶寬。幸運(yùn)的是，這些運(yùn)算放大器還可以在單端應(yīng)用及 100% 反饋應(yīng)用中很好地工作。