在端应用中实现差分I/O 放大器

 

　　差分放大器是一种将两个输入端电压的差以一固定增益放大的电子放大器，有时简称为"差放".差分放大器通常被用作功率放大器（简称"功放"）和发射极耦合逻辑电路 （ECL, Emitter Coupled Logic） 的输入级。差分放大器是普通的单端输入放大器的一种推广，只要将差放的一个输入端接地，即可得到单端输入的放大器。很多系统在差分放大器的一个输入端输入输入信号，另一个输入端输入反馈信号，从而实现负反馈。常用于电机或者伺服电机控制，以及信号放大。在离散电子学中，实现差分放大器的一个常用手段是差动放大，见于多数运算放大器集成电路中的差分电路。

　　近在低压硅锗和 BiCMOS 工艺技术领域的进步已经允许设计和生产速度非常高的放大器了。因为这些工艺技术是低压的，所以大多数放大器的设计都纳入了差分输入和输出，以恢复并限度地提高总的输出信号摆幅。因为很多低压应用是单端的，那么问题就出现了，"我怎样才能在一个单端应用中使用差分 I/O 放大器？"以及"这么使用可能产生什么结果？"本文探讨一些实际产生的结果，并展示一些具体和使用 3GHz 增益-带宽差分 I/O 放大器 LTC6406 的单端应用。

　　背景

　　常规运算放大器有两个差分输入和一个输出。虽然增益的标称值是无穷大的，但是可通过从输出到负"反相"输入的反馈来保持对增益的控制。输出不会达到无穷大，但是差分输入可以保持为零（如同除以无穷大一样）。常规运算放大器应用的实用性、种类和优点已经有很丰富的记录了，但似乎仍然不能穷尽。全差分运算放大器一直研究得不够彻底。

　　图 1 显示了一个具有 4 个反馈电阻器的差分运算放大器。在这种情况下，差分增益的标称值仍然是无穷大，输入通过反馈连接到一起，但是这不足以决定输出电压。理由是共模输出电压可以是任意值，却仍然能导致为"零"的差分输入电压，因为反馈是对称的。因此，就任何全差分 I/O 放大器而言，始终存在另一个决定输出共模电压的控制电压。这就是 VOCM 引脚的目的，也解释了为什么全差分放大器器件至少有 5 个引脚（不包括电源引脚）而不是 4 个引脚。差分增益的等式为 VOUT（DM）  =  VIN（DM） ? R2/R1.共模输出电压从内部强制等于加到 VOCM 上的电压。一个终的结论是，不再存在单个反相输入：两个输入都是反相和非反相的，视所考虑的是哪一个输出而定。为方便电路分析，按照常规方法以"+"和"-"来标记两个输入，而一个输出带有圆点标记，表明它是"+"输入的反相输出。

 

　　任何熟悉常规运算放大器的人都知道，非反相应用在非反相输入端有固有的高输入阻抗，接近 G? 甚至 T?.但是在图 1 所示的全差分运算放大器这种情况下，存在到两个输入的反馈，因此不存在高阻抗节点。这个困难可以很幸运地克服掉。

　　全差分运算放大器简单的单端连接

　　图 2 显示了连接成单端运算放大器的 LTC6406.仅有一个输出被反馈回去，而且仅有一个输入接收反馈。其他输入现在是高阻抗的。

 

 

　　图 2:反馈仅是单端的。这个电路是稳定的，具有一个常规运放那样的高阻抗输入。闭环输出 （在这种情况下是 VOUT+ ） 是低噪声的。从闭环输出端能很好地得到单端输出，从而提供了 1.2GHz 的 3dB 带宽。开环输出 （VOUT–） 相对于 VOCM 具有 2 倍的噪声增益，但是直到约 300MHz 都表现良好，高于这个频率以后，会有明显的通带纹波。

　　LTC?6406 是一款非常低噪声、低失真、全差分输入/输出放大器，专为3V、单电源操作而优化。LTC6406 的输入共模范围为轨至轨，而输出共模电压则可通过在 VOCM 引脚上施加一个电压来独立地进行调节。这使得 LTC6406 非常适合于对具有一个宽共模范围的信号进行电平移位，以驱动 12 位至 16 位单电源、差分输入 ADC.对于 50MHz 输入信号，一个 3GHz 的增益带宽乘积将产生70dB 的线性度。LTC6406 具有单位增益稳定性，且闭环带宽从 DC 延伸至 800MHz.输出电压摆幅从接近地电位至2V,以与多种 ADC 转换器输入要求相兼容。LTC6406 仅吸收 18mA 电流，并具有一种硬件停机功能，该功能可把电流消耗降至 300μA.LTC6406 采用紧凑型 3mm x 3mm 16 引脚无引线 QFN 封装以及 8 引线 MSOP 封装。工作温度范围为 -40?C 至 85?C.

　　单端跨阻抗放大器

　　跨阻抗放大器为接收模拟或数字光信号的光接收机前置放大器，该前置放大器包括：一个高增益放大器A↓〔1〕，一个以光电转换器为主要组成部分的输入电路，一个连接在A↓〔1〕的反向输入端和输出端的负反馈阻抗Z↓〔f〕，一个增益可调的低增益放大器A↓〔2〕，一个连接A↓〔2〕的输出端与A↓〔1〕的反向输入端的反馈电容C↓〔ff〕；A↓〔1〕的输出端可直接与A↓〔2〕的输入端连接，也可通过缓冲器Buffer与A↓〔2〕的输入端连接。所述前置放大器的输出信号从A↓〔1〕的输出端或缓冲器的输出端取出，该信号可直接进行后续信号处理，也可进一步放大后再进行后续信号处理。

　　图 3 显示，LTC6406 连接成为具 20k? 跨阻抗增益的单端跨阻抗放大器。BF862 JFET 缓冲 LTC6406 的输入，从而极大地减轻了其双极型输入晶体管电流噪声的影响。JFET 的 VGS 作为失调来考虑，但它的典型值为 0.6V,因此该电路在 3V 单电源时仍然能很好地工作，而且该失调可以用 10k 电位器去掉。时域响应如图 4 所示。在 20MHz 带宽上的总输出噪声在 VOUT?+ 端为 0.8mVRMS,而在 VOUT?– 端为 1.1mVRMS.以差分方式计算，跨阻抗增益为 40k.

 

　　图 3:跨阻抗放大器。超低噪声 JFET 缓冲双极型 LTC6406 输入的电流噪声，在没有任何线索的情况下试着微调电位器，以获得 0V 差分输出。

　　结论

　　LTC6406 等新的全差分运算放大器系列提供了前所未有的带宽。幸运的是，这些运算放大器还可以在单端应用及 100% 反馈应用中很好地工作。