在單端應用中采用差分I/O放大器
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引言
最近在低壓硅鍺和 BiCMOS 工藝技術領域的進步已經允許設計和生產速度非常高的放大器了。因為這些工藝技術是低壓的，所以大多數(shù)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，那么問題就出現(xiàn)了，“我怎樣才能在一個單端應用中使用差分 I/O 放大器？”以及“這么使用可能產生什么結果？”本文探討一些實際產生的結果，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(guī)運算放大器有兩個差分輸入和一個輸出。雖然增益的標稱值是無窮大的，但是可通過從輸出到負“反相”輸入的反饋來保持對增益的控制。輸出不會達到無窮大，但是差分輸入可以保持為零（如同除以無窮大一樣）。常規(guī)運算放大器應用的實用性、種類和優(yōu)點已經有很豐富的記錄了，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 顯示了一個具有 4 個反饋電阻器的差分運算放大器。在這種情況下，差分增益的標稱值仍然是無窮大，輸入通過反饋連接到一起，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，因為反饋是對稱的。因此，就任何全差分 I/O 放大器而言，始終存在另一個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 個引腳（不包括電源引腳）而不是 4 個引腳。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。一個最終的結論是，不再存在單個反相輸入：兩個輸入都是反相和非反相的，視所考慮的是哪一個輸出而定。為方便電路分析，按照常規(guī)方法以“+”和“-”來標記兩個輸入，而一個輸出帶有圓點標記，表明它是“+”輸入的反相輸出。
任何熟悉常規(guī)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，存在到兩個輸入的反饋，因此不存在高阻抗節(jié)點。這個困難可以很幸運地克服掉。
全差分運算放大器簡單的單端連接
圖 2 顯示了連接成單端運算放大器的 LTC6406。僅有一個輸出被反饋回去，而且僅有一個輸入接收反饋。其他輸入現(xiàn)在是高阻抗的。
圖 2：反饋僅是單端的。這個電路是穩(wěn)定的，具有一個常規(guī)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(xiàn)良好，高于這個頻率以后，會有明顯的通帶紋波。
LTC6406 在這個電路中工作得很好，而且仍然能提供一個差分輸出。然而，一個簡單的試驗揭示出了這種配置的缺點之一。設想所有的輸入和輸出都為 1.2V，包括 VOCM。現(xiàn)在再設想，驅動 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。這說明了以下事實：全差分放大器的單端反饋從 VOCM 引腳到“開路”輸出引入了 2 倍的噪聲增益。為了避免這種噪聲，只是不使用這個輸出就可以了，從而產生一個徹底的單端應用?；蛘撸梢越邮茌p微的噪聲處罰，并使用兩個輸出。
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 作為失調來考慮，但它的典型值為 0.6V，因此該電路在 3V 單電源時仍然能很好地工作，而且該失調可以用 10k 電位器去掉。時域響應如圖 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，在沒有任何線索的情況下試著微調電位器，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。
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