在单端应用中使用差分I / O放大器

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介绍

低压硅锗和BiCMOS工艺的最新进展使得超高速放大器的设计和生产成为可能。由于工艺是低压的，因此大多数放大器设计都集成了差分输入和输出，以重新获得并最大化总输出信号摆幅。由于许多低压应用是单端应用，因此出现了以下问题：“如何在单端应用中使用差分I / O放大器？”和“这种使用的含义是什么？”实际意义，并演示了使用3GHz增益带宽LTC6406差分I / O放大器的特定单端应用。

背景

常规运算放大器具有两个差分输入和一个输出。增益在名义上是无限的，但是可以通过从输出到负“反相”输入的反馈来保持控制。输出不会变为无穷大，而是将差分输入保持为零（按原样除以无穷大）。常规运算放大器应用的实用性，多样性和美观性已得到充分证明，但仍显得无穷无尽。全差动运算放大器的探索还不够完善。

图1显示了具有四个反馈电阻的差分运算放大器。在这种情况下，差分增益在名义上仍然是无限的，并且输入通过反馈保持在一起，但这不足以决定输出电压。原因是共模输出电压可以在任何地方，并且由于反馈是对称的，因此仍会导致“零”差分输入电压。因此，对于任何全差分I / O放大器，总会有另一个控制电压来决定输出共模电压。这是V OCM引脚的用途，并说明了为什么全差分放大器至少是5引脚设备（不包括电源引脚）而不是4引脚设备。差分增益方程为V OUT（DM） = V IN（DM）•R2 / R1。共模输出电压在内部被强制为V OCM施加的电压。最后观察到的是，不再有单个反相输入：这两个输入都是反相的，而同相的则取决于所考虑的输出。为了进行电路分析，输入以常规方式分别用“ +”和“-”标记，并且一个输出接收一个点，表示该点为“ +”输入的反相输出。

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图1.全差分I / O放大器，显示两个输出和一个附加的V OCM引脚

任何熟悉常规运算放大器的人都知道，同相应用在同相输入处具有固有的高输入阻抗，接近GΩ甚至TΩ。但是在图1中的全差分运算放大器的情况下，两个输入都有反馈，因此没有高阻抗节点。幸运的是，可以克服这一困难。

全差分运算放大器的简单单端连接

图2展示了作为单端运算放大器连接的LTC6406。只有一个输出被反馈，只有一个输入接收反馈。现在，另一个输入为高阻抗。

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图2.反馈仅是单端的。该电路很稳定，具有像传统运算放大器一样的Hi-Z输入。闭环输出（在这种情况下为V OUT +）为低噪声。最好从闭环输出中选择单端输出，提供1.2GHz的3dB带宽。开环输出（V OUT –）的噪声增益为V OCM，为2 ，但表现良好，约为300MHz，高于300MHz时，通带纹波很大。

LTC6406在该电路中工作良好，但仍提供一个差分输出。然而，一个简单的思想实验揭示了这种配置的缺点之一。想象一下，包括V OCM在内的所有输入和输出均处于1.2V电压。现在想象一下，V OCM引脚被驱动高出0.1V。唯一可以移动的输出是V OUT –因为V OUT +必须保持等于V IN，所以为了将共模输出提高100mV，放大器必须移动V OUT。–输出总计高200mV。由于VOCM偏移为100mV，所以这是200mV的差分输出偏移。这说明了一个事实，即全差分放大器周围的单端反馈会从VOCM引脚到“开路”输出引入2的噪声增益。为了避免这种噪声，只需不使用该输出，就可以实现完全单端的应用。或者，您可以承受轻微的噪声损失并同时使用两个输出。

单端跨阻放大器

图3显示了LTC6406连接为具有20kΩ跨阻增益的单端跨阻放大器。BF862 JFET缓冲LTC6406输入，从而大大降低了其双极性输入晶体管电流噪声的影响。现在将JFET 的V GS作为偏移量包括在内，但通常为0.6V，因此该电路在3V单电源下仍能正常工作，并且可以使用10k电位计来调出偏移量。时域响应被示出在20MHz的带宽测量显示0.8mV图4.总输出噪声RMS开V OUT +和1.1mV RMS开V OUT - 。差分得出，跨阻增益为40kΩ。

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图3.跨阻放大器。超低噪声JFET缓冲双极性LTC6406输入的电流噪声，以在无光照条件下为0V差分输出调整电位器。

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图4.图3电路的时域响应，显示两个输出均具有20kΩ的TIA增益。上升时间为16ns，表示20MHz带宽。

结论

诸如LTC6406的新系列全差分运算放大器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​​端和100％反馈应用中很好地发挥作用。

ccapsemi

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