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 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

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