實驗室電路之高速FET輸入儀表放大器

評估和設(shè)計支持

電路評估板

CN-0273電路評估板(EVAL-CN0273-EB1Z)

設(shè)計和集成文件

原理圖、布局文件、物料清單

電路功能與優(yōu)勢

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)信號檢測和高速儀器儀表。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，該電路使用一個集成式差動放大器以及片內(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表示第一級增益

●輸出電壓擺幅：0.01 V至4.75 V(典型值，150 Ω負載)

●-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雙極性工藝制造，并針對低頻應(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)中放大高速信號并提供高頻噪聲信號共模抑制特性的寬帶寬儀表放大器的需求正不斷增長。

需要用到極高速度、寬帶寬的儀表放大器時，一種常見的方法是使用兩個高輸入阻抗的分立式運算放大器來緩沖并放大第一級的差分輸入信號，然后在第二級中將單個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放儀表放大器。這種方法需要使用4個相對昂貴的精密匹配電阻，以達到良好的CMR性能。如果匹配有誤差，則最終輸出也會產(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個相對昂貴的精密匹配外部電阻。

此外，使用高速雙通道ADA4817-2作為輸入級放大器，允許復(fù)合式儀表放大器提供高達80 MHz的帶寬，同時電路總增益為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)計成本。

該電路可在噪聲環(huán)境中使用，因為ADA4817-2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)的三運放儀表放大器拓撲，兩個運算放大器用于輸入增益級，一個差動放大器用于輸出級。該電路增益為5，帶寬為35 MHz。

FET放大器輸入增益級

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運算放大器配置為共享RG增益電阻。對于差分輸入，電路增益為1 + 2RF/RG。采用共模輸入時，無電流流過RG增益電阻。因此，該電路在共模輸入時用作緩沖器。隨后，第二級差動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算：

f-3 dB= fU/G1

其中，G1為第一級的增益。

對于該電路而言，由于第一級閉環(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的測試帶寬。

PCB板上的寄生電容和容性負載可能會使第一增益級振蕩。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。

差動放大器和CMR

ADA4830-1是高速差動放大器，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)，主要取決于第二級差動放大器使用的4個電阻的比率匹配，如圖2所示。

圖2. 差動放大器

通常，最差情況下的CMR由下式給出：

其中，Kr是以小數(shù)表示的單個電阻容差。上述等式表示最差情況下的CMR為34 dB，其中4個電阻具有相同的標稱值(1%容差)。該電路采用單芯片ADA4830-1差動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CMR是65 dB，10 MHz時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化電源要求，則電路第一級采用±5 V電源，而第二級采用+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，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表示第一級增益。請注意，需在允許的最大差分輸入和第一級閉環(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電源時范圍為-5 V至+2.2 V。采用±5 V電源時，ADA4817-2的輸出擺幅限制為±3.5 V(參考ADA4817-2數(shù)據(jù)手冊)。因此，ADA4817-2的輸出擺幅將電路的負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，請參考指南MT-031、指南MT-101以及“高速印刷電路板布局實用指南”一文。另外，ADA4817-2數(shù)據(jù)手冊和ADA4830-1數(shù)據(jù)手冊中還提供了布局指南。

電路性能

測試該復(fù)合電路的4個最重要參數(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時的帶寬為35 MHz，輸出負載為100 Ω。圖5顯示100 kHz時，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，電路的THD為60 dBc(VOUT =1 V p-p，RL = 1 kΩ)。

圖3. CN-0273 CMR

圖4. 復(fù)合電路的頻率響應(yīng)(VOUT= 1 V p-p，RL= 100 Ω)

圖5. 復(fù)合電路折合到輸入的電壓噪聲

圖6. 二次(HD2)和三次(HD3)諧波失真(VOUT= 1 V p-p，RL= 1 kΩ)

常見變化

通過增益電阻值RG，可方便地配置該電路的總增益，如圖1所示。請注意，總增益越大，電路帶寬越窄。

可在速度較低的應(yīng)用中使用AD8274代替第二級中的差動放大器。AD8274差動放大器具有固定的增益2，因此電路可獲得更高的總增益。

若要增加輸入共模范圍和差分范圍，可使用±12 V供電且單位增益帶寬為145 MHz的軌到軌高速FET輸入放大器，如AD8065/AD8066。

電路評估與測試

可以利用信號發(fā)生器和示波器輕松評估該電路。該板采用傳統(tǒng)放大器測試方式，通過網(wǎng)絡(luò)分析儀進行測試。完整原理圖和PCB布局，請參考CN0273-設(shè)計支持包。電路板的照片如圖7所示。

請注意，圖3中的CMRR數(shù)據(jù)在0 V差分輸入電壓情況下獲得。圖4中的帶寬數(shù)據(jù)和圖6中的失真數(shù)據(jù)在共模電壓為0 V的平衡差分驅(qū)動源情況下獲得。

圖7. EVAL-CN0273-EB1Z評估板照片