ZHCACD5 March 2023 JFE2140

2 工作原理

JFET 前置放大器電路很容易使用小信號(hào) T 模型進(jìn)行分析，如圖 2-1 所示。為了了解此電路的運(yùn)行情況，首先檢查輸入端的前置放大器。傳感器生成小信號(hào)輸入電壓 (v_in，用于調(diào)制 JFET 的柵源電壓 (v_gs)。JFE2140 是前置放大器電路中的第一個(gè)增益級(jí)，它會(huì)傳導(dǎo)小信號(hào)漏源電流 i_ds1 = g_m1 × v_gs1，該電流隨 v_in 波動(dòng)?？鐚?dǎo)增益參數(shù) (_gm) 用 Siemens 表示，v_gs 用伏特表示。

圖 2-1 具有 JFE2140 前端小信號(hào) T 模型的前置放大器

小信號(hào)電流 i_ds1 流經(jīng)電阻器 R_D1 和 R_D2，從而在 JFE2140 的漏極之間形成差分電壓 v_od。OPA202 會(huì)監(jiān)控 v_od 并使用電壓 v_out 驅(qū)動(dòng)環(huán)路，從而使 OPA202 的輸入端大致相等。JFE2140 與 OPA202 組合形成前饋增益級(jí) A，如圖 2-1 所示。假設(shè)對(duì)稱(chēng)和 i_ds1 = i_ds2，JFE2140 的增益為 g_m × R_D?？鐚?dǎo)參數(shù) g_m 可通過(guò)圖 2-2 進(jìn)行近似計(jì)算。當(dāng)漏源電流為 1mA 時(shí)，測(cè)得的 g_m 約為 7.5mS。

圖 2-2 跨導(dǎo)與漏源電流間的關(guān)系

OPA202 的 DC A_ol 為 150dB。結(jié)合 JFET 增益，可計(jì)算出生成的前饋增益 A，如方程式 1 所示。仿真前饋增益如圖 2-3 所示，A = 175dB。這與計(jì)算結(jié)果非常吻合。

方程式 1.

A_{d B} = 20 \times \log ? (7.5 m S \times 2.5 k ?) + 150 d B = 175.46 d B

圖 2-3 環(huán)路參數(shù) (dB) 與頻率 (Hz) 間的關(guān)系

由于晶圓工藝變化可使 g_m 發(fā)生高達(dá) 30% 的變化，因此添加反饋網(wǎng)絡(luò) (β) 可保持可預(yù)測(cè)的閉環(huán)增益。β 反饋網(wǎng)絡(luò)由電阻 R_F 和 R_G2 組成，是一個(gè)串聯(lián)分流反饋網(wǎng)絡(luò)。β 網(wǎng)絡(luò)通過(guò)分流 OPA202 的輸出對(duì) v_out 進(jìn)行采樣，然后反饋成比例的電壓 v_fb。電壓 v_fb = v_gs2。柵極是電路的反饋求和節(jié)點(diǎn)。在此配置中，環(huán)路是閉合的。輸入差分電壓 v_id 的增加會(huì)導(dǎo)致 v_od 上升，從而導(dǎo)致 v_out 上升。如果 v_out 上升，v_gs2 也會(huì)上升。v_gs2 的增加會(huì)降低 v_id。觀(guān)察到 JFET 漏極之間的差分電壓降低。最終結(jié)果是 v_out 降低，從而使前置放大器的負(fù)反饋環(huán)路完整。

標(biāo)準(zhǔn)閉環(huán)增益 (A_cl) 方程式 2 適用。

方程式 2.

A_{c l} = \frac{A}{1 + A) β}

假設(shè)前饋增益 A 遠(yuǎn)高于 β，則 A_cl 大致由中波段頻率中的電阻器 R_F 和 R_G2 決定。A_cl 可使用方程式 3 近似計(jì)算得出。

方程式 3.

A_{c l} \approx \frac{1}{β} \approx \frac{R_{F}}{R_{G 2}} + 1

方程式 4.

A_{c l} \approx 1001 \frac{V}{V} 或 60 d B

圖 2-4 展示了 JFET 前置放大器電路的閉環(huán)增益與頻率響應(yīng)間的關(guān)系。

圖 2-4 A_cl (dB) 與頻率 (Hz) 間的關(guān)系

圖 2-5 比較了 JFE2140 復(fù)合前置放大器電路與 OPA202 和 OPA145 的增益帶寬。每種配置的增益均為 60dB。表 2-1 展示了 JFE2140 復(fù)合前置放大器電路可實(shí)現(xiàn) 3 個(gè)電路中的最高帶寬。這是由于分立式 JFET 前端產(chǎn)生的額外前饋增益實(shí)現(xiàn)的。表 2-1 還展示了 JFE2140 復(fù)合電路實(shí)現(xiàn)的超低噪聲性能。

圖 2-5 增益帶寬比較

表 2-1 電路拓?fù)浔容^

放大器	–3dB 點(diǎn)	電壓噪聲以輸入為基準(zhǔn) f = 1kHz	總 Iq
JFE2140 復(fù)合前置放大器電路	17.3 kHz	$1.96 \frac{n V}{\sqrt{H z}}$	3.6mA
OPA145	5.56 kHz	$7.1 \frac{n V}{\sqrt{H z}}$	449μA
OPA202	988 Hz	$8.9 \frac{n V}{\sqrt{H z}}$	582μA

放大器

–3dB 點(diǎn)

電壓噪聲

以輸入為基準(zhǔn)

f = 1kHz

總 Iq

JFE2140 復(fù)合前置放大器電路

17.3 kHz

1.96 \frac{n V}{\sqrt{H z}}

3.6mA

OPA145

5.56 kHz

7.1 \frac{n V}{\sqrt{H z}}

449μA

OPA202

988 Hz

8.9 \frac{n V}{\sqrt{H z}}

582μA