建立FETching分立式放大器的一些提示

建立FETching分立式放大器的一些提示

简介

用于光电二极管、压电以及其他仪器仪表应用的低噪声放大器所要求的电路参数一般是：极高的输入阻抗、低1/f噪声或亚皮安偏置电流等，而提供的集成产品无法满足这些要求。本文讨论使用分立元器件设计低噪声放大器的要求与挑战，并重点探讨了折合到输入的噪声以及失调电压调节。

高输入增益拓扑的限制

典型分立式放大器如图1所示，在高速运算放大器前使用匹配JFET器件实现的差分放大器，提供高输入阻抗和一定的初始增益。系统噪声主要由输入级产生，因此无需使用低噪声运算放大器。

图1. 高速、低噪声仪表放大器

不过，将输出稳定在低增益和高频率有一定难度。添加RC补偿网络、CC和RC后，即可实现稳定性，但这些元器件的最优值随增益而改变，增加了整体设计的复杂性。另外，大信号响应对于某些应用而言也过于缓慢。

图2所示电路在单位增益处可获得相应的噪声性能，无需进行补偿。速度主要由运算放大器确定。该电路由三个主要部分组成：输出运算放大器、FET输入缓冲器以及对FET进行偏置的电流源。

图2. 单位增益稳定版本的放大器

输入级的单位增益配置对运算放大器的噪声性能有严格要求。在图1所示电路中，输入FET增益有限，从而减少了跟随级的噪声影响。在单位增益配置中，输入缓冲器和运算放大器的总噪声分离，因此需要使用低噪声运算放大器。

输入级电流源

如果部署不当，则用于偏置FET输入缓冲器的电流源会对总系统噪声产生极大的影响。最大程度降低偏置噪声影响的一种方法，是在简单电流镜中添加衰减电阻，如图3所示。

图3. 带衰减的电流镜

流过晶体管 Q0的电流镜像至晶体管 Q1和 Q2。噪声源包括1/f以及晶体管的散粒噪声。增加衰减电阻可降低散粒噪声（系数为1 + gmRDEGENgmRDEGEN），但对1/f噪声不起作用。该噪声源以基极和发射极之间的电流建模，无法通过增加RDEGEN而得到改善。若要同时减少两种噪声源，就需要使用不同的电流源架构。

图4. 采用分流电阻的电流镜

修改后的电流镜如图4所示。该电流源所需的晶体管数目较少，允许使用双通道晶体管对代替四通道封装，同时降低尺寸和成本。噪声性能的提升极为明显，因为同时消除了散粒噪声和1/f噪声。晶体管Q0电流镜像至晶体管 Q1。该电流通过一对电阻在集电极处分割，因此1/f和散粒噪声将会均分。由于噪声源来自同一个晶体管，因此它们是相干的。输出差分信号，因此噪声被消除，如图5所示。

图5. 显示噪声消除的电流源理想示意图

依然可以衰减电流镜晶体管，以便改善电流匹配和输出阻抗。电流由RDEGEN上的压降确定，因此晶体管匹配不如未衰减时来得重要。它允许使用几乎所有的匹配对，但集电极电容必须较低，以保持稳定性。两种方案的差分输入电容保持不变，因为两个输入器件的源间耦合主要由放大器的低差分输入阻抗决定。

出于测试目的，确定偏置电流的基准电压由连接 VCC的电阻设置。因此，如果VCC发生改变，电路将比较容易产生性能问题。在实际方案中，应使用齐纳、带隙或IC基准电压源代替电阻。