在高速应用中使用JFET输入放大器的优势介绍

　　电压反馈放大器可根据器件中的晶体管类型进行分类：双极互补金属氧化物半导体（CMOS）或是结型场效应晶体管（JFET）。一些放大器同时使用这两种晶体管，在放大器各阶段中获得对应的益处。例如，JFET 输入放大器包含一个采用 JFET 的输入差分对，可产生非常大的放大器输入阻抗，之后是使用双极晶体管的增益和输出极。
　　JFET 输入放大器可用作测试和测量模拟前端、电流感测放大器、模数转换器（ADC）驱动器、光电二极管跨阻放大器，或通过多路复用器用作多通道传感器接口。本文将以 OPA2810 为例，讨论在这些应用中使用 JFET 输入放大器的优势。OPA2810 是一款 110MHz、27V、宽输入差分电压（VIN， Diff）轨至轨输入 / 输出 FET 输入放大器。

　　数据采集和电流感测
　　测试与测量设备使用放大器作为单位增益缓冲器，或非反相增益配置来测量电压信号。该设备必须在不干扰测定量的情况下测量电压信号，这一操作可以通过 JFET 输入放大器中的高阻抗输入和低偏置电流来实现。在功率分析仪和示波器中，前端的大阻抗衰减器使得更需要采用一款高阻抗输入放大器。
　　JFET 输入和 CMOS 放大器的输入端与输入差分对晶体管的栅极连接，可在几微微安范围内产生非常小的偏置电流。OPA2810 的输入阻抗非常高，约 2pA 的偏置电流在其输入共模电压范围内变化最小，这可以通过使用主 JFET 输入级以及在正电源 2.5V 内工作的 CMOS 辅助级实现。电流感测应用测量电流流过并联电阻器所引起的电压降。如图 1 所示，OPA2810 采用±12V 电源供电时，随着输入共模电压（线性工作区远离电源）的变化，偏置电流变化相对较小，有助于最大限度地减小输入信号摆幅的偏移电压变化，提供高精度电流感测电路。
　　测试与测量设备还必须准确地在放大器输出上重新创建输入信号，由于具有 75mA 线性输出驱动能力，因此 OPA2810 具有出色的失真性能。由于设备通常采用线路供电，因此放大器必须在大于 24V 的电源电压下工作。
　　
　　图 1：OPA2810 具有输入共模电压的偏置电流变化

　　宽带光电二极管跨阻抗应用
　　如图 2 所示，在宽带光电二极管跨阻抗应用中，通过使用配置的放大器，光电二极管电流被转换为电压。尽管高速放大器的增益带宽积对于实现大闭环增益非常有用，但 JFET 输入放大器中的低输入电流噪声和偏置电流有助于通过使用高至甚高跨阻抗增益来提高电路中的输出噪声性能，同时降低偏置电流导致的输出电压失调。设计师必须使用一个反馈电容 CF 来使该电路保持稳定。使用本文“需要了解跨阻抗放大器——第一部分”中的公式，计算图 2 中各组件的值，得出图 3 中所示的增益幅度和相位图。
　　
　　图 2：带反馈补偿电容的光电二极管跨阻放大器电路
　　
　　图 3：图 2 中跨阻放大器的增益幅度和相位波特图

　　多通道输入数据采集系统
　　与输出阻抗相对较高的传感器对接时，高阻抗输入放大器显得尤其有用。这种多通道系统通常通过多路复用器将这些传感器与信号链连接起来。您可以使用图 4a 所示的电路和放大器来连接每个传感器，并连接到多路复用器的输入。如图 4b 所示，备用电路在直接连接到传感器的多路复用器输出端，使用一个快速建立放大器，这样会在通道间切换时产生大信号瞬变，其中放大器的处理性能和最大允许输入差分电压开始显现重要性。
　　图 4c 显示了在 OPA2810 的同相输入端施加 8V 阶跃时的输出电压和输入差分电压，OPA2810 是图 4b 中所配置的一个单位增益缓冲器。
　　
　　图 4：具有多个慢速建立放大器的多通道传感器前端（a）；使用单个 OPA2810 进行快速建立（b）；使用 OPA2810 的大信号瞬态响应（c）
　　由于快速输入瞬态，放大器受到摆动限制，输入端彼此停止追踪（图 4c 中最大 VIN， Diff 为 7V），直到输出达到其最终值并且负反馈回路闭合。对于 VIN， Diff 额定值为 0.7-1.5V 的标准放大器，您必须使用与输入引脚串联的限流电阻来防止发生不可逆转的损坏，这样也会限制器件的频率响应。OPA2810 具有内置输入钳位，可实现 VIN，Diff 高达 7V 的应用，无需使用外部电阻，也不会损坏器件或改变性能规格。这种输入级结构与快速建立性能相结合，使得 OPA2810 非常适合多通道传感器复用系统。