用離散JFET放大低雜訊電路中的小訊號

作者 : Chris Featherstone,Planet Analog Signal Chain Basics 部落格#169的作者、德州儀器應用工程師

當有用的小訊號是由具有高源阻抗的感測器產生,而由於高源阻抗無法向放大器的輸入端提供足夠大的電流時,雙極運算放大器將面臨另一個挑戰。

在低雜訊電路中放大感測器產生的小訊號是一個非常常見但又困難的問題。有鑑於其固有的低閃爍(1/f)和寬頻雜訊,設計師通常使用雙極輸入的運算放大器來實現這種放大。當有用的小訊號是由具有高源阻抗的感測器產生,而由於高源阻抗無法向放大器的輸入端提供足夠大的電流時,雙極運算放大器將面臨另一個挑戰。相對於與其對應的CMOS和接面場效電晶體(JFET)而言,雙極運算放大器具有奈安培(nA)量級或更大一些的高輸入偏置電流和更低的輸入阻抗。

雙極運算放大器的輸入將帶載一個感測器,如一個可以產生幾毫伏特(mV)訊號的高源阻抗麥克風。這種載荷將降低音訊音質和動態範圍,並使訊號失真。當然,可以選擇具備JFET前端的運算放大器,如德州儀器(TI)的OPA145;但卻無法像使用離散元件那樣靈活地設置偏置電路,可能還會犧牲額外的電流,換來的卻是20kHz音訊訊號頻寬之外的無用頻寬。

雖然CMOS和JFET輸入級具有大小相當的偏置電流,但離散JFET元件具有更好的雜訊性能。此外,JFET比CMOS元件具有更高的增益。離散JFET後面再跟一級雙極運算放大器,具有靈活的偏置,即可提供一種實現高輸入阻抗和低雜訊的方法(圖1)。

 

圖1:JFET前置放大器閉環電路有利於實現靈活偏置的低雜訊。

(來源:德州儀器)

 

為了理解這個電路的工作原理,本文從輸入端開始。感測器將產生一個小訊號輸入電壓(vin),該訊號用來微調JFET的閘源電壓(vgs)。JFE150是前置放大器電路中的第一個增益級,傳到小訊號漏源電流(ids),ids = gm × vgs,該電流隨Vin變化。請注意,不能將小訊號電流ids與直流偏置電流IDS = 2mA相混淆,如圖1所示。跨導增益參數(gm)用西門子表示,而vgs的單位為伏特。

運算放大器與電阻R1形成一個跨阻放大器,將電流gm × vgs轉換為電壓vout。運算放大器將驅動迴路,使其兩個輸入端保持基本一致。因此,絕大部分電流gm × vgs將在通帶的中間通過電阻R1,在vout處產生放大電壓,公式(1)計算前饋增益(Av):

Av ≈ gm × R1(V/V)            (1)

可以使用圖2中的模擬測量將gm從分貝轉換為西門子(mA/V)或Ω-1,如公式(2)所示。

gm = 10-36.08dB/20dB = 15.7ms            (2)

公式(3)和公式(4)顯示前饋增益為:

Av = 15.7ms × 1MΩ = 15.7kV/V            (3)

AdB = 83.92dB            (4)

 

圖2:gm (dB)與頻率(Hz)關係曲線圖(單位分貝轉換為西門子)。

(來源:德州儀器)

 

由於晶圓製程變化可使gm產生高達30%的變化,因此添加回饋網路(β)將保持可預測的閉迴路增益。回饋網路β由電阻RF2、RS1和RS2,以及電容Cs組成,是一個串聯-並聯負反饋網路。β網路透過分流運算放大器的輸出對vout進行採樣,並回饋與vgs串聯的比例電壓vfb。在通帶頻率上,Cs視為短路,公式(5)和公式(6)表示小訊號增益,近似為:

Acl ≈ RF/RS2 + 1            (5)

Acl ≈ 1001V/V or 60dB            (6)

JFET的源節點是電路的回饋求和節點。在此配置中,迴圈是閉合的。如果vout升高,則vfb升高。源節點處vfb的增加會降低vgs,導致流過跨阻電阻R1的電流gm × vgs變小。最終結果是vout的降低,從而完成前置放大器的負反饋迴路,圖3顯示了JFET前置放大器電路的閉迴路增益與頻率響應。

 

圖3:JFET前置放大電路的閉迴路增益(dB)與頻率(Hz)回應關係圖。

(來源:德州儀器)

 

前置放大器電路可提供非常高的增益(高達60dB),在大約17Hz~43kHz之間提供平坦的頻率回應。拐點頻率處的滾降衰減為音訊訊號提供了一個自然的音訊濾波器,而不會在低頻端和高頻端出現破音。該閉迴路解決方案的1/f (10Hz)雜訊極低(低至1.99nV/√Hz),而在1kHz的寬頻範圍內,雜訊也低至1.18nV/√Hz,具體如圖4所示。請注意,為了保證卓越的性能,必須提供純淨的電源。

 

圖4:閉迴路解決方案中輸入參考電壓雜訊密度的頻響曲線。

(來源:德州儀器)

 

在專業麥克風、音訊介面、混音器、調音器和吉他放大器等應用中,放大小訊號非常具有挑戰性。這些類型的應用可受益於能夠提供偏置靈活性、高輸入阻抗和低雜訊的離散JFET放大器。

(參考原文:Amplify small signals in low-noise circuit with discrete JFET,by Chris Featherstone)

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2022年1月號

 

 

 

 

 

加入我們官方帳號LINE@,最新消息一手掌握!

發表評論