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在高速應用中使用JFET輸入放大器有哪些優勢
在高速應用中使用JFET輸入放大器有哪些優勢作為這篇文章的介紹，讓我提供一些背景知識。電壓反饋放大器有時根據器件中晶體管的類型進行分類：雙極互補金屬氧化物半導體 (CMOS) 或結型場效應晶體管 (JFET)。一些放大器甚至可以使用這些晶體管的組合來在不同的放大器級中提取它們的好處。例如，JFET 輸入放大器包括一個使用 JFET 的輸入差分對，可實現非常大的放大器輸入阻抗，其后是使用雙極晶體管的增益和輸出級。
JFET 輸入放大器用作測試和測量模擬前端、電流檢測放大器、模數轉換器 (ADC) 驅動器、光電二極管跨阻放大器，或通過多路復用器用作多通道傳感器接口。在這篇文章中，我將以OPA2810為例討論在這些應用中使用 JFET 輸入放大器的優勢。OPA2810 是一款 110MHz、27V、寬輸入差分電壓 (V IN,Diff ) 容錯軌到軌輸入/輸出 FET 輸入放大器。
數據采集??和電流傳感
測試和測量設備使用放大器作為單位增益緩沖器或采用同相增益配置來測量電壓信號。設備必須在不干擾測量量的情況下測量電壓信號，這可以通過 JFET 輸入放大器中的高阻輸入和低偏置電流實現。在功率分析儀和示波器中，前端存在大阻抗衰減器使得使用高阻輸入放大器變得更加必要。
JFET 輸入和 CMOS 放大器的輸入與輸入差分對晶體管的柵極相連，這會在幾皮安范圍內產生非常小的偏置電流。OPA2810 的輸入阻抗非常高，偏置電流約為 2pA，其輸入共模電壓范圍內變化很小. 電流感應應用測量由流經分流電阻器的電流引起的電壓降。偏置電流隨輸入共模電壓的變化（遠離電源的線性工作區域）變化相對較小，如圖 1 所示，OPA2810 在 ±12V 電源下工作，有助于最大限度地減少失調電壓隨輸入信號擺幅的變化,
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測試和測量設備還必須在放大器輸出端準確地重建輸入信號，這得益于 OPA2810 的出色失真性能，因為它具有 75mA 的大線性輸出驅動能力。由于設備通常是線路供電的，因此放大器必須在高于 24V 的電源電壓下工作。
圖 1：OPA2810 的偏置電流隨輸入共模電壓的變化
寬帶光電二極管跨阻應用
在寬帶光電二極管跨阻應用中，光電二極管電流通過配置如圖 2 所示的放大器轉換為電壓。雖然高速放大器的增益帶寬積可用于實現較大的閉環增益，但其低輸入電流噪聲JFET 輸入放大器中的偏置電流和偏置電流有助于提高使用高到非常高跨阻增益的電路的輸出噪聲性能，同時減少偏置電流引起的輸出電壓偏移。您必須使用反饋電容器 C F來使該電路穩定。計算圖 2 中組件的值，使用這篇博文“您需要了解的跨阻放大器，第 1 部分”中的公式，得到圖 3 中所示的增益幅度和相位圖。
圖 2：具有反饋補償電容的光電二極管跨阻放大器電路
圖 3：圖 2 中跨阻放大器的增益幅度和相位波特圖
多通道輸入數據采集系統
當與具有相對高輸出阻抗的傳感器連接時，高阻輸入放大器特別有用。這種多通道系統通常通過多路復用器將這些傳感器與信號鏈連接起來。您可以將圖 4a 中所示的電路與放大器一起使用，以與每個傳感器連接并連接到多路復用器的輸入端。另一個電路，如圖 4b 所示，在直接連接到傳感器的多路復用器的輸出端使用單個快速穩定放大器。這會在通道之間切換時產生大信號瞬態，此時放大器的穩定性能和最大允許輸入差分電壓開始變得重要。
圖 4c 顯示了在圖 4b 中配置為單位增益緩沖器的 OPA2810 的非反相輸入端施加 8V 階躍時的輸出電壓和輸入差分電壓。
圖 4：具有多個慢速建立放大器的多通道傳感器前端 (a)；使用具有快速穩定功能的單個 OPA2810 (b)；使用 OPA2810 的大信號瞬態響應 (c)
由于快速輸入瞬態，放大器受到壓擺限制，輸入停止相互跟蹤（最大 V IN,Diff為 7V，見圖 4c），直到輸出達到其最終值并且負反饋環路閉合。對于 0.7-1.5VV IN,Diff額定值的標準放大器，您必須在輸入引腳上串聯限流電阻，以防止不可逆的損壞，這也限制了器件的頻率響應。OPA2810 具有內置輸入鉗位，允許應用高達 7V 的 V IN,Diff，無需外部電阻器，也不會損壞設備或改變性能規格。這種輸入級架構加上其快速建立性能，使 OPA2810 非常適合多通道傳感器多路復用系統。
ADC 驅動程序
在大多數此類應用中，高速放大器可能會驅動逐次逼近寄存器 (SAR) 或流水線 ADC。由于 ADC 的輸入電容器在采樣間隔期間切換進出，因此在驅動這些轉換器時必須使用放大器來防止輸入負載。對于快速采樣率，ADC 輸入需要在數字化開始之前快速穩定在 0.5 LSB 以內，這可以通過使用高速放大器來實現，因為它們具有更大的增益帶寬積，從而產生環路增益并提高了穩定性能. OPA2810 在大約 130ns 內穩定到最終值的 0.001% 以內，輸入階躍為 10V，24V 電源電壓為單位增益，如圖 5 所示。由于其大壓擺率和快速穩定性能，您可以使用 OPA2810 放大器在其輸入端數字化多個低頻信號。在高于 ADC 的電源電壓下使用高壓 JFET 輸入放大器有助于通過使用 ADC 的全輸入動態范圍來提高信噪比和失真比 (SINAD)。
圖 5：大信號瞬態和穩定響應
因此，JFET 輸入放大器（如OPA2810 ）憑借其高 Z 輸入、卓越的失真性能、快速穩定和寬電源范圍，在上述不同的高速應用中提供了多種優勢。請務必查看TI的高阻輸入高速放大器系列，以選擇最適合您的應用要求的一款。
審核編輯：符乾江
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