CN0273 可以利用信号发生器和示波器轻松评估该电路。该板采用传统放大器测试方式,通过网络分析仪进行测试。完整原理图和PCB布局,请参考CN0273-设计支持包。电路板的照片如图7所示。
请注意,图3中的CMRR数据在0 V差分输入电压情况下获得。图4中的带宽数据和图6中的失真数据在共模电压为0 V的平衡差分驱动源情况下获得。
图7. EVAL-CN0273-EB1Z评估板照片
通过增益电阻值RG,可方便地配置该电路的总增益,如图
1所示。请注意,总增益越大,电路带宽越窄。
可在速度较低的应用中使用AD8274代替第二级中的差动放
大器。AD8274差动放大器具有固定的增益2,因此电路可
获得更高的总增益。
若要增加输入共模范围和差分范围,可使用±12 V供电且
单位增益带宽为145 MHz的轨到轨高速FET输入放大器,如AD8065/ AD8066。 该电路基于传统的三运放仪表放大器拓扑,两个运算放大
器用于输入增益级,一个差动放大器用于输出级。该电路
增益为5,带宽为35 MHz
FET放大器输入增益级
ADA4817-2(双通道)FastFET放大器是具有FET输入的单位
增益稳定、超高速电压反馈型放大器。这些放大器采用
ADI公司的专有超快速互补双极性(XFCB)工艺制造,工作
噪声极低,输入阻抗非常高且速度快,适合要求高速和高
源阻抗的应用。
ADA4817-2运算放大器配置为共享RG增益电阻。对于差分
输入,电路增益为1 + 2RF
/RG。采用共模输入时,无电流流
过RG增益电阻。因此,该电路在共模输入时用作缓冲器。随后,第二级差动放大器可有效移除共模输入。
ADA4817-2的单位增益带宽积fu等于410 MHz。其闭环带宽
可通过下式近似计算:
f−3 dB = fU/G1
其中,G1为第一级的增益。
对于该电路而言,由于第一级闭环增益为10,因此−3 dB带
宽估算值为41 MHz。该值非常接近35 MHz的测试带宽。
PCB板上的寄生电容和容性负载可能会使第一增益级振
荡。使用低数值的反馈电阻,并使用反馈电容,可缓解这
一问题。
本电路选用了200 Ω的反馈电阻。反馈电容CF
为2 pF,具有
最佳带宽平坦度。
差动放大器和CMR
ADA4830-1是高速差动放大器,具有宽共模电压范围,兼
具高速和精密特性。它提供0.5 V/V的固定增益,−3 dB带宽
为84 MHz。通过片内激光调整电阻,10 MHz时该器件的
CMR典型值为55 dB。
CMR是仪表放大器极为重要的规格参数,主要取决于第二
级差动放大器使用的4个电阻的比率匹配,如图2所示。
图2. 差动放大器
通常,最差情况下的CMR由下式给出:=
其中,Kr是以小数表示的单个电阻容差。上述等式表示最
差情况下的CMR为34 dB,其中4个电阻具有相同的标称值
(1%容差)。该电路采用单芯片ADA4830-1差动放大器而非
分立式电阻,放大器片内集成激光调整薄膜电阻,因此具
有出色的CMR性能并节省PCB空间。直流时CMR是65 dB,
10 MHz时CMR是55 dB。
差分和共模电压考虑因素
若要最大化输入电压范围并简化电源要求,则电路第一级
采用±5 V电源,而第二级采用+5 V。最大差分输入范围由
ADA4817-2的输出摆幅决定。采用±5 V电源时,ADA4817-2
输出摆幅为±3.5 V。因此,允许的最大差分输入为±3.5 V/G1,
其中G1表示第一级增益。请注意,需在允许的最大差分输
入和第一级闭环增益之间作出权衡。
下一步,分析共模电压限制。ADA4817-2输入端的共模电
压必须位于−VS
至+VS
− 1.8 V之间,即采用±5 V电源时范围
为−5 V至+2.2 V。采用±5 V电源时,ADA4817-2的输出摆幅
限制为±3.5 V(参考ADA4817-2数据手册)。因此,ADA4817-2
的输出摆幅将电路的负输入共模电压限制为−3.5 V,从而复
合电路允许的输入共模范围为−3.5 V至+2.2 V。
若要从该电路获得高性能,必须采用良好的布局、接地和
去耦技术。有关PCB布局详情,请参考
指南MT-031、 指南MT-101,以及"高速印刷电路板布局实用指南" 一文。另外,
ADA4817-2数据手册和ADA4830-1数据手册中还提供了布
局指南。
电路性能
测试该复合电路的4个最重要参数:CMR、−3 dB带宽、折
合到输入端的噪声以及谐波失真,测试结果见图3至图6。
图3显示复合电路的CMR为−65 dB(直流),以及−55 dB (10
MHz)。图4显示增益为5时的带宽为35 MHz,输出负载为
100 Ω。图5显示100 kHz时,该复合电路折合到输入的噪声
仅为10 nV/√Hz,并且较高频率下的平带噪声为8 nV/√Hz。
图6显示10 MHz时,电路的THD为60 dBc(VOUT =1 V p-p,
RL= 1 kΩ)。
Figure 3. CMR of the CN-0273
图4. 复合电路的频率响应(VOUT= 1 V p-p,RL = 100 Ω)
图5. 复合电路折合到输入的电压噪声
图6. 二次(HD2)和三次(HD3)谐波失真(VOUT = 1 V p-p,RL = 1 kΩ)
CN0273 具有低输入偏置电流和高交流共模抑制性能的高速FET输入仪表放大器 CN0273 | circuit note and reference circuit info 具有低输入偏置电流和高交流共模抑制性能的高速FET输入仪表放大器 | Analog Devices 图1所示电路是一款高速FET输入、增益为5的仪表放大
器,具有35 MHz宽带宽和10 MHz时55 dB的出色交流共模
抑制(CMR)性能。该电路适用于需要高输入阻抗、快速仪
表放大器的应用,包括RF、视频、光学信号检测和高速仪
器仪表。高CMR和高带宽特性还使其成为宽带差分线路接
收器的理想选择。
大多数分立式仪表放大器需要昂贵的匹配电阻网络才能获
得高CMR性能;然而,该电路使用一个集成式差动放大器
以及片内匹配电阻改善性能、降低成本,并最大程度减少
印刷电路板(PCB)布局面积。
图1中的复合式仪表放大器电路具有下列性能:
失调电压:4 mV(最大值)
输入偏置电流:2 pA(典型值)
输入共模电压:−3.5 V至+2.2 V(最大值)
输入差分电压:±3.5 V/G1(最大值),G1表示第一级增益
输出电压摆幅:0.01 V至4.75 V(典型值,150 Ω负载)
−3 dB带宽:35 MHz(典型值,G = 5)
共模抑制:55 dB(典型值,10 MHz)
输入电压噪声:10 nV/√Hz(典型值,100 kHz RTI)
谐波失真:−60 dBc(10 MHz,G = 5,VOUT = 1 V p-p,
RL = 1 kΩ)
图1. 高速FET输入仪表放大器(注意:未显示电源去耦)
大多数全集成式仪表放大器采用双极性或互补双极性工艺
制造,并针对低频应用优化,具有50 Hz或60 Hz下的高CMR
性能。然而,用于视频和RF系统中放大高速信号并提供高
频噪声信号共模抑制特性的宽带宽仪表放大器的需求正不
断增长。
需要用到极高速度、宽带宽的仪表放大器时,一种常见的
方法是使用两个高输入阻抗的分立式运算放大器来缓冲并
放大第一级的差分输入信号,然后在第二级中将单个放大
器配置为差分放大器,以便提供差分至单端转换。该配置
通常称为三运放仪表放大器。这种方法需要使用4个相对
昂贵的精密匹配电阻,以达到良好的CMR性能。如果匹配
有误差,则最终输出也会产生误差。
图1所示电路能够解决这一问题。该电路使用ADA4830-1 集
成式高速差动放大器。激光调整薄膜电阻以极高的精度匹
配,因此无需使用4个相对昂贵的精密匹配外部电阻。
此外,使用高速双通道ADA4817-2作为输入级放大器,允
许复合式仪表放大器提供高达80 MHz的带宽,同时电路总
增益为2.5。
采用4 mm × 4 mm LFCSP单封装的双通道ADA4817-2放大器
和集成式ADA4830-1差动放大器可极大地减少电路板空间,
从而降低大型系统的设计成本。
该电路可在噪声环境中使用,因为ADA4817-2和
ADA4830-1均提供低噪声以及高频下出色的CMR性能。 cn0273 图1所示电路是一款高速FET输入、增益为5的仪表放大
器,具有35 MHz宽带宽和10 MHz时55 dB的出色交流共模
抑制(CMR)性能。该电路适用于需要高输入阻抗、快速仪
表放大器的应用,包括RF、视频、光学信号检测和高速仪
器仪表。高CMR和高带宽特性还使其成为宽带差分线路接
收器
(analog)
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