在單端應用中采用差分 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)允許設計和生產(chǎn)速度非常高的放大器了。因為這些工藝技術(shù)是低壓的，所以大多數放大器的設計都納入了差分輸入和輸出，以恢復并最大限度地提高總的輸出信號擺幅。因為很多低壓應用是單端的，那么問(wèn)題就出現了，“我怎樣才能在一個(gè)單端應用中使用差分 I/O 放大器？”以及“這么使用可能產(chǎn)生什么結果？”本文探討一些實(shí)際產(chǎn)生的結果，并展示一些具體和使用 3GHz 增益-帶寬差分 I/O 放大器 LTC6406 的單端應用。

背景

常規運算放大器有兩個(gè)差分輸入和一個(gè)輸出。雖然增益的標稱(chēng)值是無(wú)窮大的，但是可通過(guò)從輸出到負“反相”輸入的反饋來(lái)保持對增益的控制。輸出不會(huì )達到無(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）。常規運算放大器應用的實(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算放大器。在這種情況下，差分增益的標稱(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，卻仍然能導致為“零”的差分輸入電壓，因為反饋是對稱(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。共模輸出電壓從內部強制等于加到 VOCM 上的電壓。一個(gè)最終的結論是，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，按照常規方法以“+”和“-”來(lái)標記兩個(gè)輸入，而一個(gè)輸出帶有圓點(diǎn)標記，表明它是“+”輸入的反相輸出。

任何熟悉常規運算放大器的人都知道，非反相應用在非反相輸入端有固有的高輸入阻抗，接近 G 甚至 T。但是在圖 1 所示的全差分運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點(diǎn)。這個(gè)困難可以很幸運地克服掉。


全差分運算放大器簡(jiǎn)單的單端連接

圖 2 顯示了連接成單端運算放大器的 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。其他輸入現在是高阻抗的。

圖 2：反饋僅是單端的。這個(gè)電路是穩定的，具有一個(gè)常規運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–) 相對于 VOCM 具有 2 倍的噪聲增益，但是直到約 300MHz 都表現良好，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)單的試驗揭示出了這種配置的缺點(diǎn)之一。設想所有的輸入和輸出都為 1.2V，包括 VOCM?，F在再設想，驅動(dòng) VOCM 引腳，使其額外增高 0.1V?？赡苡凶兓奈┮惠敵鍪?VOUT –，因為 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 20k 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，而且該失調可以用 10k 電位器去掉。時(shí)域響應如圖 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。以差分方式計算，跨阻抗增益為 40k。

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(xiàn)索的情況下試著(zhù)微調電位器，以獲得 0V 差分輸出。

結論

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