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全差分放大器和电子设备的领先技术

时间:2018-11-12 作者:Dennis Feucht 阅读:
半导体公司提供全差分放大器只有几年时间,但这种放大器在示波器等尖端电子领域已经使用几十年了。这种差分放大器不仅在输入端而且在输出端都是差分,因此具有双倍的输出范围。全差分单片放大器与地隔离,可明显改善波形质量,用于驱动高分辨率ADC和其它高性能(高速和精密)放大器应用。

一些半导体公司最近几年开始提供全差分放大器了,但这种放大器应用在尖端电子设备已经有几十年了。这些差分放大器在输入端和输出端都是差分的,输出范围也得以加倍放大。它们的输入和输出端口都是封闭路径,没有公共接地节点。与地隔离可改善波形质量。由于保持了输入和输出电路回路本身的完整性,接地仅对静态分析和共模范围才显得重要。

电子设备的领先技术

尽管电子行业没有Indy 500或Grand Prix这样的重大赛事来现场测试新的概念车,但电子产品的开发也有自己的测试场所。例如,在第二次世界大战期间,麻省理工学院的辐射实验室在雷达研发方面取得了一些出色的成果。甚至直到今天,人们仍然很羡慕那个时代的“Rad Lab”文献,其中包含一些电子产品所采纳的理论著述。再早期的例子还有在RCA开发电视的Vladimir Zworykin提出的理论。这是一个真正的技术突破,完全不同于现今产品的渐进式改进。

在20世纪50年代,泰克(Tektronix)公司拥有一帮极具创新精神的工程师,包括Howard Vollum、Jack Murdock、Cliff Moulton、John Kobbe(JK触发器就是他发明的),以及Bill Polits等。他们不但开发出了可在实验室里使用的阴极射线示波器,而且营造出了最激励人的理想技术开发环境。在由技术创新驱动的示波器市场上,一度赢得超过70%的市场份额,其成功的根本就在于先进的工程技术。因为创始人本身就是很有发明创造力的工程师,泰克是一家典型的工程导向、鼓励创意创新的企业。

Tek和HP(现为Keysight)是测试和测量(T&M)仪器公司的杰出典范,而高性能测量仪器则是电子行业的“赛道”。毕竟,为了测量所开发电路的性能特征,测量仪器电路本身必须要足够好。结果,在T&M设备中发现了很多有趣的电路,而差分放大器就是其中的一个。

示波器内的差分放大器

示波器使用全差分放大器已经有几十年啦(为什么它们需要这么长时间才成为商用IC呢?),它们通常可见于垂直放大器中,探头电压按精确增益放大,然后将放大的波形应用于CRT的垂直偏转板。除了第一级(通常由接地参考探头驱动)外,它们都是全差分放大器。

为了演示,我们来看看Tek T935A 35 MHz示波器的垂直放大器的,虽然现在已经过时,但它在20世纪70年代可是最先进的,并且成本低廉。

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图1:输入缓冲放大器级。

图1中的输入缓冲放大器级是从手册上扫描的。(顺便说一句,旧的Tek“使用说明书”中的电路图可真是艺术作品,是今天的CAD图纸比不了的,这就是科技进步的代价!)

第一级由JFET Q4222A和B组成。探头波形输入到Q4222B的栅极。它与下方的另一个JFET形成x1缓冲放大器,输入和输出之间的偏移电压接近零。这是通过使用匹配的JFET,并将下面的JFET作为电流源来实现的。其栅极连接到-8V电源,R4225(源极的20Ω电阻)两端的电压VGS对应其上方JFET中流过的漏极电流。JFET是匹配的,在相同的电流下,上方的JFET具有相同的VGS。因此,相应的20Ω电阻R4224的下端电压与输入栅极电压相同,并将JFET偏置在零TC工作点。上方的JFET的电流随着Q4232的基极电流略微增加,但是很小,匹配是足够的。

该放大器在第二级驱动全差分放大器,由Q4232和Q4234组成。只有上方的BJT(Q4232)需要由放大的波形驱动,而下方的输入在Q4234的基极,动态(交流)接地到示波器探头电路接地端,从而完成输入电路的返回。由于垂直放大器(与所有放大器一样)具有输入偏移误差,未使用的输入可用于输入偏移误差调整,这在示波器术语中叫直流平衡。平衡表示示波器放大器是高差分的,必须使放大器的两侧在相同的静态(直流)条件下工作。

第二级的输出也是差分的。该级仅是一个发射极跟随器,没有电压增益,但需要向JFET缓冲器提供高输入阻抗,并以低阻抗驱动第三级。换言之,它为下一级提供了一个电压源。然而,在其差分输出端,输入波形尚未达到差分平衡,因为发射极跟随器之间没有增益相互作用,并且它们之间没有发生输入波形的分裂。第二级仅在有2个输入和2个输出时才是差分的。在没有电压增益的情况下,输入差分电压等于输出差分电压。

延迟线的后面三级如图2所示,这是同一个放大器的延续。

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图2:延迟线的后面三级。

Q4258和Q4268组成一个全差分放大器级,共用发射极电阻R4254,这是一个阻值为63.4Ω、误差为1%的电阻。电阻R4257和R4267连接到-8V电源,比R4254大得多,接近BJT发射器的电流源。

上方Q4258 BJT基极的波形通过发射极电路分开,并与下方Q4268 BJT共用(差不多各占一半),因此在负载电阻上出现平衡波形,具有相同的幅度和相反的极性。如果将R4254或RE分成两个值为RE/2的串联电阻,那么它们的中点将是平衡输入差分放大器的“虚地”空节点。在此级,输入波形幅度的一半(仅应用于上方BJT)将出现在空节点处。

下一级(Q4274,Q4284)是一个互补共源共栅放大器的后半部分——共基极。它是完全差分的,最终的共集电极(Q4276,Q4286)也是如此。

级增益

要计算互补共源共栅级的差分电压增益,请注意Q4274和Q4284的发射极增量(或小信号)电阻(分流均为825Ω的电阻R4271和R4281)要小得多,因此大多数ΔIC(即来自Q4258和Q4268的增量电流)流经Q4274和Q4284,在负载电阻R4273和R4283(均为499Ω)两端产生电压。825Ω电阻的目的是为共基级提供发射极偏置电流。级增益主要由集电极负载电阻和发射极电阻R4254决定:

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其中上下电压由下标u和l表示。它们的区别在于输入和输出差分电压。放大器的上侧和下侧都会影响总增益,所以在Av的BJT增益前面x2。因为RE(R4254)非常接近BJT的动态发射极电阻re,所以更好的增益近似是在增益方程的分母中将RE增加2 x re,其中:

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Av≅-12.9,每个BJT的发射极电流为3.72mA。负载电阻下一级输入阻抗的加载以及两个共源共栅BJT的电流损耗α被忽略。你觉得放大器设计师想要获得-10的增益吗?

结语

全差分单片放大器已经面世多年,例如ADI AD8138,用于驱动高分辨率ADC和其它高性能(高速和高精度)放大器应用。其实,它们的前身已经在示波器中使用了几十年。测量仪器电路中是否还有其它好的单片放大器产品可能被半导体公司挖掘出来?

(原文刊登于ASPENCORE旗下Planet Analog网站,参考链接:Fully-Differential Amplifiers and the Leading Edge in Electronics。)

《电子技术设计》2018年11月刊版权所有,禁止转载。

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