【導(dǎo)讀】在低噪聲電路中放大傳感器產(chǎn)生的小信號(hào)是一個(gè)非常常見但困難的問題。鑒于其固有的低閃爍 （1/f） 和寬帶噪聲，設(shè)計(jì)人員通常會(huì)使用具有雙極輸入的運(yùn)算放大器 （op amp） 來實(shí)現(xiàn)這種放大。
在低噪聲電路中放大傳感器產(chǎn)生的小信號(hào)是一個(gè)非常常見但困難的問題。鑒于其固有的低閃爍 （1/f） 和寬帶噪聲，設(shè)計(jì)人員通常會(huì)使用具有雙極輸入的運(yùn)算放大器 （op amp） 來實(shí)現(xiàn)這種放大。當(dāng)感興趣的小信號(hào)由具有高源阻抗的傳感器產(chǎn)生而無法向放大器的輸入端提供足夠的電流時(shí)，雙極運(yùn)算放大器會(huì)帶來另一個(gè)挑戰(zhàn)。雙極運(yùn)算放大器具有納安或更大范圍內(nèi)的高輸入偏置電流，并且相對(duì)于其 CMOS 和結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管 （JFET） 輸入對(duì)應(yīng)物的輸入阻抗較低。
雙極輸入將加載一個(gè)傳感器，例如一個(gè)高源阻抗麥克風(fēng)，它會(huì)產(chǎn)生幾千分之一伏的信號(hào)。這種加載會(huì)降低音頻音質(zhì)和動(dòng)態(tài)范圍并使信號(hào)失真。您可以選擇帶有 JFET 前端的運(yùn)算放大器，例如德州儀器 （TI）的OPA145；但是，您將無法像使用分立元件那樣靈活地偏置電路，并且您可能會(huì)犧牲額外的電流以獲得相對(duì)于高達(dá) 20 kHz 的音頻信號(hào)帶寬的不需要的帶寬。
雖然 CMOS 和 JFET 輸入級(jí)具有相當(dāng)?shù)钠秒娏?，?JFET 器件的噪聲性能要好得多。此外，JFET 具有比 CMOS 器件更高的增益（跨導(dǎo)）。TI 的JFE150 等分立式 JFET后接雙極運(yùn)算放大器（例如OPA202）確實(shí)提供了一種通過靈活偏置實(shí)現(xiàn)高輸入阻抗和低噪聲的方法（圖 1）。
圖 1 JFET 前置放大器閉環(huán)電路通過靈活偏置實(shí)現(xiàn)低噪聲。資料來源：德州儀器
要了解該電路的工作原理，讓我們從在輸入端檢查它開始。傳感器將產(chǎn)生一個(gè)小信號(hào)輸入電壓 （v in ），它調(diào)制JFET的柵源電壓 （v gs ）。JFE150 是前置放大器電路中的第一個(gè)增益級(jí)，傳導(dǎo)小信號(hào)漏源電流，i ds = g m × v gs，隨 v in波動(dòng)。不要將小信號(hào)電流 i ds與直流偏置電流 I DS = 2 mA混淆，如圖 1 所示?？鐚?dǎo)增益參數(shù) （g m ） 以西門子表示，v gs以伏特表示。
結(jié)合電阻器 R 1，OPA202 運(yùn)算放大器形成一個(gè)跨阻放大器，將電流 g m × v gs轉(zhuǎn)換為電壓 v out。OPA202 運(yùn)算放大器將驅(qū)動(dòng)環(huán)路以保持其輸入端大致相等。結(jié)果，大部分電流g m × v gs將流過中頻帶頻率的電阻器R 1，在v out處產(chǎn)生放大電壓。公式 1 計(jì)算前饋增益 （A v ）：
A v ≈ g m × R 1 （V/V） （1）
您可以使用圖 2 中的模擬測(cè)量將 g m從分貝轉(zhuǎn)換為西門子 （mA/V） 或 Ω -1，如公式 2所示。
克米= 10 -36.08dB /20分貝= 15.7 MS（2）
圖 2使用 g m （dB） 與頻率 （Hz） 的關(guān)系圖將分貝轉(zhuǎn)換為西門子。資料來源：德州儀器
公式 3 和公式 4 表明前饋增益為：
A v = 15.7 mS × 1 MΩ = 15.7 kV/V （3）
甲分貝=83.92分貝（4）
由于晶圓工藝變化可產(chǎn)生高達(dá) 30% 的 g m變化，因此添加反饋網(wǎng)絡(luò) （β） 將保持可預(yù)測(cè)的閉環(huán)增益。反饋網(wǎng)絡(luò)β由電阻R F2、R S1和R S2以及電容C s 組成，是一個(gè)串并聯(lián)反饋網(wǎng)絡(luò)。β 網(wǎng)絡(luò)通過分流 OPA202 的輸出來采樣 v out并反饋與 v gs串聯(lián)的成比例電壓 v fb。在頻率下，C s變?yōu)槎搪?，公?5 和公式 6 將小信號(hào)增益表示為大約：A cl ≈ R F /R S2 + 1 （5）
A cl ≈ 1001 V/V 或 60 dB （6）
JFET 的源極節(jié)點(diǎn)是電路的反饋求和節(jié)點(diǎn)。在此配置中，環(huán)路是閉合的。如果 v out上升，則 v fb上升。源節(jié)點(diǎn)處v fb的增加會(huì)降低v gs，導(dǎo)致流經(jīng)跨阻電阻器R 1的電流g m × v gs減少。最終結(jié)果是 v out的減少，從而完成了前置放大器的負(fù)反饋回路。圖 3顯示了 JFET 前置放大器電路的閉環(huán)增益與頻率響應(yīng)的關(guān)系。
圖 3顯示了 JFET 前置放大器電路的閉環(huán)增益 （dB） 與頻率 （Hz） 響應(yīng)。資料來源：德州儀器
JFE150 前置放大器電路提供 60 dB 的極高增益和從大約 17 Hz 到 43 kHz 的平坦頻率響應(yīng)。轉(zhuǎn)角頻率處的干凈滾降為音頻信號(hào)提供了一個(gè)自然的聲音濾波器，而不會(huì)在低端和高端聽起來很突然。這種閉環(huán)解決方案還在 10 Hz 的 1/f 區(qū)域提供 1.99 nV/√Hz 的極低輸入?yún)⒖荚肼?，?1 kHz 的寬帶區(qū)域提供 1.18 nV/√Hz，如圖 4所示。確保為該電路提供干凈的電源，以免降低其卓越的性能。
圖 4輸入?yún)⒖茧妷涸肼暶芏扰c頻率曲線強(qiáng)調(diào)了閉環(huán)解決方案。資料來源：德州儀器
在專業(yè)麥克風(fēng)、音頻接口、混音器、轉(zhuǎn)盤和吉他放大器等應(yīng)用中放大小信號(hào)非常具有挑戰(zhàn)性。這些類型的應(yīng)用可以受益于分立 JFET 提供的偏置靈活性、高輸入阻抗和低噪聲。
Chris Featherstone 是 Planet Analog 的 Signal Chain Basics 博客 #169 的作者，是德州儀器 （TI） 的應(yīng)用工程師。
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