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利用分立式 JFET 放大低噪声电路中的幼旗号

作者:admin 发布时间:2021-09-22 浏览次数:128

  产生的小信号是一个非常常见但困难的问题。鉴于其固有的低闪烁 (1/f) 和宽带噪声,设计人员通常会使用具有双极输入的时,双极运算放大器会带来另一个挑战。双极运算放大器具有纳安或更大范围内的高输入偏置电流,并且相对于其 CMOS 和结型场效应

  双极输入将加载一个传感器,例如一个高源阻抗麦克风,它会产生几千分之一伏的信号。这种加载会降低音频音质和动态范围并使信号失真。您可以选择带有 JFET 前端的运算放大器,例如德州仪器)的OPA145;但是,您将无法像使用分立元件那样灵活地偏置电路,并且您可能会牺牲额外的电流以获得相对于高达 20 kHz 的音频信号带宽的不需要的带宽。

  虽然 CMOS 和 JFET 输入级具有相当的偏置电流,但 JFET 器件的噪声性能要好得多。此外,JFET 具有比 CMOS 器件更高的增益(跨导)。TI的JFE150 等分立式 JFET后接双极运算放大器(例如OPA202)确实提供了一种通过灵活偏置实现高输入阻抗和低噪声的方法(图 1)。

  图 1 JFET 前置放大器闭环电路通过灵活偏置实现低噪声。资料来源:德州仪器

  要了解该电路的工作原理,让我们从在输入端检查它开始。传感器将产生一个小信号输入电压 (v in ),它调制JFET的栅源电压 (v gs )。JFE150 是前置放大器电路中的第一个增益级,传导小信号漏源电流,i ds = g m × v gs,随 v in波动。不要将小信号电流 i ds与直流偏置电流 I DS = 2 mA混淆,如图 1 所示。跨导增益参数 (g m ) 以西门子表示,v gs以伏特表示。

  结合电阻器R 1,OPA202 运算放大器形成一个跨阻放大器,将电流 g m × v gs转换为电压 v out。OPA202 运算放大器将驱动环路以保持其输入端大致相等。结果,大部分电流g m × v gs将流过中频带频率的电阻器R 1,在v out处产生放大电压。公式 1 计算前馈增益 (A v ):

  您可以使用图 2 中的模拟测量将 g m从分贝转换为西门子 (mA/V) 或 Ω -1,如公式 2所示。

  图 2使用 g m (dB) 与频率 (Hz) 的关系图将分贝转换为西门子。资料来源:德州仪器

  由于晶圆工艺变化可产生高达 30% 的 g m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R F2、R S1和R S2以及电容C s 组成,是一个串并联反馈网络。β 网络通过分流 OPA202 的输出来采样 v out并反馈与 v gs串联的成比例电压 v fb。在频率下,C s变为短路,公式 5 和公式 6 将小信号增益表示为大约:A cl ≈ R F /R S2 + 1 (5)

  JFET 的源极节点是电路的反馈求和节点。在此配置中,环路是闭合的。如果 v out上升,则 v fb上升。源节点处v fb的增加会降低v gs,导致流经跨阻电阻器R 1的电流g m × v gs减少。最终结果是 v out的减少,从而完成了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的关系。

  图 3显示了 JFET 前置放大器电路的闭环增益 (dB) 与频率 (Hz) 响应。资料来源:德州仪器

  JFE150 前置放大器电路提供 60 dB 的极高增益和从大约 17 Hz 到 43 kHz 的平坦频率响应。转角频率处的干净滚降为音频信号提供了一个自然的声音滤波器,而不会在低端和高端听起来很突然。这种闭环解决方案还在 10 Hz 的 1/f 区域提供 1.99 nV/√Hz 的极低输入参考噪声,在 1 kHz 的宽带区域提供 1.18 nV/√Hz,如图 4所示。确保为该电路提供干净的电源,以免降低其卓越的性能。

  图 4输入参考电压噪声密度与频率曲线强调了闭环解决方案。资料来源:德州仪器

  在专业麦克风、音频接口、混音器、转盘和吉他放大器等应用中放大小信号非常具有挑战性。这些类型的应用可以受益于分立 JFET 提供的偏置灵活性、高输入阻抗和低噪声。

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