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ZHCAE21 May 2024 INA849 , JFE2140

引言

具有高源阻抗的傳感器可以是純電阻式、電容式、電感式或這三者的組合。能夠產(chǎn)生千分之一伏特量級小信號的高源阻抗傳感器通常需要通過噪聲低、輸入阻抗高的前置放大器進行放大。具有雙極結(jié)型晶體管 (BJT) 輸入級的放大器通常用于實現(xiàn)低電壓噪聲特性。與互補金屬氧化物半導(dǎo)體 (CMOS) 輸入和結(jié)型場效應(yīng)晶體管 (JFET) 輸入器件相比，BJT 器件的電流噪聲通常更高。與高源阻抗傳感器配合使用時，來自 BJT 輸入級的電流噪聲會轉(zhuǎn)化為額外電壓噪聲增加。使用互補金屬氧化物半導(dǎo)體 (CMOS) 器件是高輸入阻抗的理想選擇；但是，噪聲性能比雙極輸入的噪聲性能更差。分立式結(jié)型場效應(yīng)晶體管 (JFET) 的 1/f 噪聲性能優(yōu)于 CMOS 器件，并且具有高輸入阻抗。更多詳細信息，請參閱 CMOS、JFET 和雙極輸入級技術(shù)之間的權(quán)衡 應(yīng)用報告。本應(yīng)用簡報討論了如何使用分立式匹配的 JFET 將高源阻抗傳感器與高電流噪聲 BJT 儀表放大器連接起來。本應(yīng)用簡報比較了兩種前置放大器拓撲，并分析了各種權(quán)衡因素以及如何確定在特定情況下應(yīng)使用哪種拓撲。

前置放大器拓撲

圖 1 顯示了使用 INA849 的前置放大器拓撲。INA849 使用 12V 單電源偏置。OPA145 輸出 6V 的 1/2 Vs 直流電壓，并驅(qū)動 INA849 的基準(zhǔn)引腳 R_ef 和輸入共模電壓。INA849 具有一個電壓噪聲超低的 BJT 輸入級。BJT 輸入級通常用于實現(xiàn)低電壓噪聲特性。與高源阻抗傳感器配合使用時，來自 BJT 輸入級的電流噪聲會轉(zhuǎn)化為額外的電壓噪聲。

圖 1 INA 前置放大器

分立式 JFET（如 TI 的 JFE2140）后跟雙極儀表放大器（如 INA849)，提供了一種通過靈活偏置實現(xiàn)高輸入阻抗和低噪聲的方法，請參見圖 2。JFET Q_1A 和 Q_1B 均在源極跟隨器配置中配置，并取代 INA849 前端。INA849 以 60dB 增益配置。源阻抗 R_source1 和 R_source2 現(xiàn)在連接至輸入阻抗高且電流噪聲低的分立式 JFET 前端。分立式 JFET 和 INA 前置放大器電路提供 JFET 的低輸入電流噪聲和 INA 的低電壓噪聲。

圖 2 分立式 JFET 和 INA 前置放大器

噪聲

圖 3 顯示了圖 1 和圖 2 中所示的兩種前置放大器拓撲與各種源阻抗 R_source 間的噪聲性能比較。INA849 具有低源阻抗傳感器，性能優(yōu)于 JFET 設(shè)計。隨著 R_source 增大，圖 2 中顯示的前置放大器優(yōu)于 INA849。

圖 3 具有不同源阻抗的前置放大器噪聲比較

表 1 顯示了兩種前置放大器拓撲之間的總電路電流消耗和噪聲權(quán)衡。圖 1 中所示設(shè)計的總電流消耗為 6.71mA。圖 2 中所示 JFET 前端設(shè)計的總電流消耗為 9.88mA。這意味著總電流消耗增加了 47.2%。使用 R_source = 100kΩ 的源阻抗時，添加分立式 JFET 可提高噪聲性能（通過將輸入?yún)⒖紝拵г肼暯档?64.4%）。圖 3 顯示了將 JFET + INA849 拓撲與高源阻抗搭配使用時的 $\frac{1}{f}$ 噪聲改善。

表 1 前置放大器拓撲比較

前置放大器拓撲	總 Iq (mA)	Iq 增加百分比	總電壓噪聲 $(\frac{n V}{\sqrt{H z}})$ 輸入?yún)⒖?f = 1kHz	電壓噪聲減少百分比 R_SOURCE = 100kΩ
INA849	6.71	-	162.07	-
JFET + INA849	9.88	47.2%	57.63	-64.4%

在決定使用圖 1 和圖 2 中所示的兩種拓撲之一時，可以使用一個簡單的計算方法。一般來說，如果 $R_{s o u r c e} > \frac{4 k T}{{(i_{n})}^{2}}$ ，則使用 JFET 輸入器件可降低噪聲。有關(guān)更多詳細信息，請參閱 CMOS 和 JFET 放大器中電流噪聲的影響應(yīng)用手冊。INA849 的典型電流噪聲規(guī)格為 $i_{n} = 1.1 \frac{p A}{\sqrt{H z}}$ 。

方程式 1.

R_{s o u r c e} > \frac{4 \times 1.38 \times 10^{- 23} \times (273.15 ? + 25)}{{(1.1 \times 10^{- 12})}^{2}}

方程式 2.

R_{s o u r c e} > 13.6 k ?

當(dāng) R_source = 13.6k?，表 2 顯示 e_nR = e_{ni_INA} = 21.16 (nV/√Hz)。按照這個指導(dǎo)原則，使用分立式 JFET 和 INA 前置放大器時，可實現(xiàn) $\sqrt{2}$ 噪聲改善（前置放大器見圖 2）。

表 2 源阻抗和計算得出的噪聲比較

R_source(?)	e_nR (nV/√Hz)	e_{ni_INA}(nV/√Hz)	INA 計算得出的總輸入?yún)⒖荚肼?p class="p" id="GUID-C0196419-58DE-4090-B8B3-E8929B054D8D">e_{n_Total_INA}(nV/√Hz)	JFET + INA 計算得出的總輸入?yún)⒖荚肼?p class="p" id="GUID-67FC340B-9267-4495-9D2F-0A89F37EC528">e_{n_Total_JFET_INA}(nV/√Hz)
100	1.81	0.16	2.08	2.56
500	4.06	0.78	4.25	4.44
1000	5.74	1.56	6.03	6.01
1,360	6.69	2.12	7.09	6.93
5,000	12.83	7.78	15.04	12.95
10,000	18.14	15.56	23.92	18.23
13,600	21.16	21.16	29.94	21.23
50,000	40.57	77.78	87.73	40.61

表 2 中的值是使用方程式 3 至方程式 6 計算得出的，計算時使用了表 3 中所示的值。

表 3 值表

值	說明
$k_{B} = 1.38 \times 10^{- 23} J K^{- 1}$	玻爾茲曼常數(shù)
$T = 298.15 K$	溫度（單位：開爾文）
$e_{n_J F E T} = 1.5 \frac{n V}{\sqrt{H z}}$	JFE2140 以 1.59mA 偏置、f = 1kHz 時的寬帶電壓噪聲
$e_{n_I N A} = 1 \frac{n V}{\sqrt{H z}}$	INA849 G = 60dB、f = 1kHz 時的寬帶電壓噪聲
$i_{n} = 1.1 \frac{p A}{\sqrt{H z}}$	INA849 G = 60dB、f = 1kHz 時的寬帶電流噪聲

前置放大器拓撲具有平衡的輸入。因此， $\sqrt{2}$ 系數(shù)在方程式 3 和方程式 4 中均使用。

方程式 3.

e_{n R} = \sqrt{2} \sqrt{4 k_{B} T R_{S o u r c e}}

方程式 4.

e_{n i_I N A} = \sqrt{2} R_{S o u r c e} i_{n}

方程式 5.

e_{n_T o t a l_I N A} = \sqrt{{e_{n R}}^{2} + {e_{n i_I N A}}^{2} + {e_{n_I N A}}^{2}}

方程式 6.

e_{n_T o t a l_J F E T_I N A} = \sqrt{{e_{n R}}^{2} + {e_{n_I N A}}^{2} + {e_{n_J F E T}}^{2}}

設(shè)計注意事項

分立式 JFET 通過調(diào)節(jié)漏源電壓 V_DS 和柵源電壓 V_GS 來提供偏置靈活性。在設(shè)計圖 2 中所示的前置放大器拓撲時，可以考慮一些關(guān)鍵的 JFET 偏置注意事項。圖 4 顯示了漏源電流 I_DS 與 V_DS 間的關(guān)系。使用足夠的 V_DS 對 JFET 進行偏置，以在飽和區(qū)域中運行。

圖 4 I_D 與 V_DS 間的關(guān)系

圖 5 顯示了 I_G 與 V_DS 間的關(guān)系。偏置 V_DS，使柵極電流低于 INA849 偏置電流。

圖 5 I_G 與 V_DS 間的關(guān)系