電子設(shè)備的領(lǐng)先技術(shù)：示波器內(nèi)的差分放大器

　　一些半導(dǎo)體公司最近幾年開始提供全差分放大器了，但這種放大器應(yīng)用在尖端電子設(shè)備已經(jīng)有幾十年了。這些差分放大器在輸入端和輸出端都是差分的，輸出范圍也得以加倍放大。它們的輸入和輸出端口都是封閉路徑，沒有公共接地節(jié)點(diǎn)。與地隔離可改善波形質(zhì)量。由于保持了輸入和輸出電路回路本身的完整性，接地僅對(duì)靜態(tài)分析和共模范圍才顯得重要。

　電子設(shè)備的領(lǐng)先技術(shù)

　　盡管電子行業(yè)沒有Indy 500或Grand Prix這樣的重大賽事來現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試新的概念車，但電子產(chǎn)品的開發(fā)也有自己的測(cè)試場(chǎng)所。例如，在第二次世界大戰(zhàn)期間，麻省理工學(xué)院的輻射實(shí)驗(yàn)室在雷達(dá)研發(fā)方面取得了一些出色的成果。甚至直到今天，人們?nèi)匀缓芰w慕那個(gè)時(shí)代的“Rad Lab”文獻(xiàn)，其中包含一些電子產(chǎn)品所采納的理論著述。再早期的例子還有在RCA開發(fā)電視的Vladimir Zworykin提出的理論。這是一個(gè)真正的技術(shù)突破，完全不同于現(xiàn)今產(chǎn)品的漸進(jìn)式改進(jìn)。

　　在20世紀(jì)50年代，泰克(Tektronix)公司擁有一幫極具創(chuàng)新精神的工程師，包括Howard Vollum、Jack Murdock、Cliff Moulton、John Kobbe(JK觸發(fā)器就是他發(fā)明的)，以及Bill Polits等。他們不但開發(fā)出了可在實(shí)驗(yàn)室里使用的陰極射線示波器，而且營(yíng)造出了最激勵(lì)人的理想技術(shù)開發(fā)環(huán)境。在由技術(shù)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)的示波器市場(chǎng)上，一度贏得超過70%的市場(chǎng)份額，其成功的根本就在于先進(jìn)的工程技術(shù)。因?yàn)閯?chuàng)始人本身就是很有發(fā)明創(chuàng)造力的工程師，泰克是一家典型的工程導(dǎo)向、鼓勵(lì)創(chuàng)意創(chuàng)新的企業(yè)。

　　Tek和HP(現(xiàn)為Keysight)是測(cè)試和測(cè)量(T&M)儀器公司的杰出典范，而高性能測(cè)量?jī)x器則是電子行業(yè)的“賽道”。畢竟，為了測(cè)量所開發(fā)電路的性能特征，測(cè)量?jī)x器電路本身必須要足夠好。結(jié)果，在T&M設(shè)備中發(fā)現(xiàn)了很多有趣的電路，而差分放大器就是其中的一個(gè)。

　　示波器內(nèi)的差分放大器

　　示波器使用全差分放大器已經(jīng)有幾十年啦(為什么它們需要這么長(zhǎng)時(shí)間才成為商用IC呢?)，它們通?？梢娪诖怪狈糯笃髦?，探頭電壓按精確增益放大，然后將放大的波形應(yīng)用于CRT的垂直偏轉(zhuǎn)板。除了第一級(jí)(通常由接地參考探頭驅(qū)動(dòng))外，它們都是全差分放大器。

　　為了演示，我們來看看Tek T935A 35 MHz示波器的垂直放大器的，雖然現(xiàn)在已經(jīng)過時(shí)，但它在20世紀(jì)70年代可是最先進(jìn)的，并且成本低廉。

　　圖1：輸入緩沖放大器級(jí)。

　　圖1中的輸入緩沖放大器級(jí)是從手冊(cè)上掃描的。(順便說一句，舊的Tek“使用說明書”中的電路圖可真是藝術(shù)作品，是今天的CAD圖紙比不了的，這就是科技進(jìn)步的代價(jià)!)

　　第一級(jí)由JFET Q4222A和B組成。探頭波形輸入到Q4222B的柵極。它與下方的另一個(gè)JFET形成x1緩沖放大器，輸入和輸出之間的偏移電壓接近零。這是通過使用匹配的JFET，并將下面的JFET作為電流源來實(shí)現(xiàn)的。其柵極連接到-8V電源，R4225(源極的20Ω電阻)兩端的電壓VGS對(duì)應(yīng)其上方JFET中流過的漏極電流。JFET是匹配的，在相同的電流下，上方的JFET具有相同的VGS。因此，相應(yīng)的20Ω電阻R4224的下端電壓與輸入柵極電壓相同，并將JFET偏置在零TC工作點(diǎn)。上方的JFET的電流隨著Q4232的基極電流略微增加，但是很小，匹配是足夠的。

　　該放大器在第二級(jí)驅(qū)動(dòng)全差分放大器，由Q4232和Q4234組成。只有上方的BJT(Q4232)需要由放大的波形驅(qū)動(dòng)，而下方的輸入在Q4234的基極，動(dòng)態(tài)(交流)接地到示波器探頭電路接地端，從而完成輸入電路的返回。由于垂直放大器(與所有放大器一樣)具有輸入偏移誤差，未使用的輸入可用于輸入偏移誤差調(diào)整，這在示波器術(shù)語(yǔ)中叫直流平衡。平衡表示示波器放大器是高差分的，必須使放大器的兩側(cè)在相同的靜態(tài)(直流)條件下工作。

　　第二級(jí)的輸出也是差分的。該級(jí)僅是一個(gè)發(fā)射極跟隨器，沒有電壓增益，但需要向JFET緩沖器提供高輸入阻抗，并以低阻抗驅(qū)動(dòng)第三級(jí)。換言之，它為下一級(jí)提供了一個(gè)電壓源。然而，在其差分輸出端，輸入波形尚未達(dá)到差分平衡，因?yàn)榘l(fā)射極跟隨器之間沒有增益相互作用，并且它們之間沒有發(fā)生輸入波形的分裂。第二級(jí)僅在有2個(gè)輸入和2個(gè)輸出時(shí)才是差分的。在沒有電壓增益的情況下，輸入差分電壓等于輸出差分電壓。

　　延遲線的后面三級(jí)如圖2所示，這是同一個(gè)放大器的延續(xù)。

　　圖2：延遲線的后面三級(jí)。

　　Q4258和Q4268組成一個(gè)全差分放大器級(jí)，共用發(fā)射極電阻R4254，這是一個(gè)阻值為63.4Ω、誤差為1%的電阻。電阻R4257和R4267連接到-8V電源，比R4254大得多，接近BJT發(fā)射器的電流源。

　　上方Q4258 BJT基極的波形通過發(fā)射極電路分開，并與下方Q4268 BJT共用(差不多各占一半)，因此在負(fù)載電阻上出現(xiàn)平衡波形，具有相同的幅度和相反的極性。如果將R4254或RE分成兩個(gè)值為RE/2的串聯(lián)電阻，那么它們的中點(diǎn)將是平衡輸入差分放大器的“虛地”空節(jié)點(diǎn)。在此級(jí)，輸入波形幅度的一半(僅應(yīng)用于上方BJT)將出現(xiàn)在空節(jié)點(diǎn)處。

　　下一級(jí)(Q4274，Q4284)是一個(gè)互補(bǔ)共源共柵放大器的后半部分——共基極。它是完全差分的，最終的共集電極(Q4276，Q4286)也是如此。

　　級(jí)增益

　　要計(jì)算互補(bǔ)共源共柵級(jí)的差分電壓增益，請(qǐng)注意Q4274和Q4284的發(fā)射極增量(或小信號(hào))電阻(分流均為825Ω的電阻R4271和R4281)要小得多，因此大多數(shù)ΔIC(即來自Q4258和Q4268的增量電流)流經(jīng)Q4274和Q4284，在負(fù)載電阻R4273和R4283(均為499Ω)兩端產(chǎn)生電壓。825Ω電阻的目的是為共基級(jí)提供發(fā)射極偏置電流。級(jí)增益主要由集電極負(fù)載電阻和發(fā)射極電阻R4254決定：

　　其中上下電壓由下標(biāo)u和l表示。它們的區(qū)別在于輸入和輸出差分電壓。放大器的上側(cè)和下側(cè)都會(huì)影響總增益，所以在Av的BJT增益前面x2。因?yàn)镽E(R4254)非常接近BJT的動(dòng)態(tài)發(fā)射極電阻re，所以更好的增益近似是在增益方程的分母中將RE增加2 x re，其中：

　　Av?-12.9，每個(gè)BJT的發(fā)射極電流為3.72mA。負(fù)載電阻下一級(jí)輸入阻抗的加載以及兩個(gè)共源共柵BJT的電流損耗α被忽略。你覺得放大器設(shè)計(jì)師想要獲得-10的增益嗎?

　　結(jié)語(yǔ)

　　全差分單片放大器已經(jīng)面世多年，例如ADI AD8138，用于驅(qū)動(dòng)高分辨率ADC和其它高性能(高速和高精度)放大器應(yīng)用。其實(shí)，它們的前身已經(jīng)在示波器中使用了幾十年。測(cè)量?jī)x器電路中是否還有其它好的單片放大器產(chǎn)品可能被半導(dǎo)體公司挖掘出來?