简介
用于光电二极管、压电以及其他仪器外表运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，而供给的集成产品无法满意这些要求。本文评论运用分立元器材规划低噪声放大器的要求与应战，并要点探讨了折合到输入的噪声以及失调电压调理。
高输入增益拓扑的约束
典型分立式放大器如图1所示，在高速运算放大器前运用匹配JFET器材完结的差分放大器，供给高输入阻抗和必定的初始增益。体系噪声首要由输入级发生，因而无需运用低噪声运算放大器。
图1. 高速、低噪声外表放大器
不过，将输出安稳在低增益和高频率有必定难度。添加RC补偿网络、CC和RC后，即可完结安稳性，但这些元器材的最优值随增益而改动，添加了全体规划的复杂性。别的，大信号呼应关于某些运用而言也过于缓慢。
图2所示电路在单位增好处可取得相应的噪声功用，无需进行补偿。速度首要由运算放大器确认。该电路由三个首要部分组成：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. 单位增益安稳版别的放大器
输入级的单位增益装备对运算放大器的噪声功用有严格要求。在图1所示电路中，输入FET增益有限，然后削减了跟从级的噪声影响。在单位增益装备中，输入缓冲器和运算放大器的总噪声别离，因而需求运用低噪声运算放大器。
输入级电流源
假如布置不妥，则用于偏置FET输入缓冲器的电流源会对总体系噪声发生极大的影响。最大程度下降偏置噪声影响的一种办法，是在简略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。噪声源包含1/f以及晶体管的散粒噪声。添加衰减电阻可下降散粒噪声(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，无法经过添加RDEGEN而得到改进。若要一起削减两种噪声源，就需求运用不同的电流源架构。
图4. 选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，答应运用双通道晶体管对代替四通道封装，一起下降尺度和本钱。噪声功用的提高极为显着，因为一起消除了散粒噪声和1/f噪声。晶体管Q0 电流镜像至晶体管 Q1。该电流经过一对电阻在集电极处切割，因而1/f和散粒噪声将会均分。因为噪声源来自同一个晶体管，因而它们是相干的。输出差分信号，因而噪声被消除，如图5所示。
图5. 显现噪声消除的电流源抱负示意图
仍然能够衰减电流镜晶体管，以便改进电流匹配和输出阻抗。电流由RDEGEN上的压降确认，因而晶体管匹配不如未衰减时来得重要。它答应运用简直一切的匹配对，但集电极电容有必要较低，以坚持安稳性。两种计划的差分输入电容坚持不变，因为两个输入器材的源间耦合首要由放大器的低差分输入阻抗决议。
出于测验意图，确认偏置电流的基准电压由衔接 VCC的电阻设置。因而，假如VCC 发生改动，电路将比较简单发生功用问题。在实践计划中，应运用齐纳、带隙或%&&&&&%基准电压源 代替电阻。
运算放大器
运算放大器确认整个放大器的速度、噪声、输出功用和失真，因而有必要依据运用而挑选。表1显现适宜运算放大器的典型值。
表1. 相关运算放大器特性
ADA4897 是大部分高速检测运用的优异备选器材，这类运用要求具有低噪声功用。关于高电压运用，ADA4898 也能担任。该器材可选用±18 V电源供电，坚持低噪声的一起仅耗费8 mA电源电流。两个放大器都选用复合规划，压摆率超越50 V/μs。
输入FET
输入FET确认放大器的输入特性。若要到达最佳功用，则要求FET具有杰出的匹配、低噪声以及低输入偏置电流等特性。更重要的是，这些JFET可确认输入失调电压，因而它们有必要杰出匹配。关于LSK389而言，最大 ΔVGS 为 20 mV，这与 VOS 为 20 mV适当。后文将评论下降这一相对较高失调电压的技巧。
表2. 相关JFET特性
放大器功用
下文示例中的放大器选用nJFET LSK389A、晶体管PMP4201 以及运算放大器ADA4897完结。评价板如图6所示。
图6. 放大器评价板，包含数字电位计衔接
该放大器计划最显着的差错源是高输入失调电压。此失调电压大部分由输入FET的失配所构成，可高达10 mV。(LSK389数据手册宣称失配可高达20 mV，但测验中从未看到如此高的数字)。增益为100时，输出失调为1 V，此刻放大器根本无用。在该放大器可用作前置放大器之前，需调理高输入失调电压。选用数字电位计 AD5292可完结这一调理。本文介绍根据电位计方位进行失调调理的两种办法。
输入失调电压
放大器测验版别的输入失调电压在1 mV至10 mV规模内改变。输入JFET的失配是构成这一失调的首要原因。LSK389数据手册显现IDSS 的改变量可达10%之多，然后影响到器材的VGS，并引进失调电压。走运的是，失调源于流过JFET的偏置电流不相等，因而供给这些电流的电流源可加以调理，补偿该差错。取得零失调电压的一种办法如图7所示。
图7. 运用电位计消除输入失调电压
数字电位计(如 AD5141 或AD5292)可用于调理流过输入器材的电流。表3显现这些器材的要害参数，这些器材包含经过SPI接口进行操控的三端电位计，可准确地放置游标，用于准确操控电阻。
表3. 数字电位计标准
不幸的是，这些数字电位计的端点处具有高寄生电容(最高达85 pF)，高频时会构成安稳性和振铃问题。图8显现带与不带该电位计的放大器步进呼应。
图8. 放大器步进呼应 a) 带电位计 b) 不带电位计 (用于供给失调调理)
85 pF寄生电容衔接输入FET的源端与地，高频时发生极大的振铃与不安稳。一种代替的偏置设置如图9所示。该设置可下降输入失调电压，一起坚持高频下的低噪声和安稳性。
图9. 运用电位计消除输入失调电压的代替办法
在上述两种偏置办法中，数字电位计用于调理流过每个FET的电流，直到它们的栅极至源极电压匹配，且输入失调电压到达最小值。但是，图9所示的偏置计划可保证电位计的高寄生电容不会发生高频不安稳性和振铃。它将图3和图4中两个不同的电流镜装备相结合来完结。 Q0/Q1 电流镜将其集电极电流别离，作为流入FET的首要电流，然后使偏置晶体管简直不发生噪声。Q0/Q2/Q3 构成更为传统，但噪声更大的电流镜。这些信号经衰减后仅耗费总FET偏置电流的1%到2%(约30 μA)。它不足以引进很多噪声，但可供给满足的调理信号，轻松调理10 mV失调电压。更重要的是，它可保证电位计的寄生%&&&&&%不影响输出。因为存在RS 分路器，使噪声坚持在较低水平，因而可依据 Q2/Q3的衰减状况牢靠调理失调，而且任何电位计寄生效应均不影响输出。图10显现电流镜调理后的步进呼应。
图10. 放大器在电流镜处调理后的步进呼应
数字电位计 供给调理失调电压的简洁办法，答应在宽作业温度和电压规模内最大程度下降失调电压。AD5292集成20次可编程存储器，答应调理失调电压后永久贮存游标方位。本电路运用AD5292 评价板衔接板外失调调理电位计。关于更为紧凑的规划，可在板上集成数字电位计，并经过其片内串行接口引脚进行编程。
运用这种办法，经过AD5292 20 kΩ电位计可成功将LSK389/ ADA4897放大器的输入失调电压下降至数微伏。
失调漂移
放大器未经过调理时，失调电压温度系数(或输入失调电压随温度上升而添加的份额)约为4 μV/°C。参加AD5292可将该数值提高至大约25 μV/°C。该成果如图11所示。
图11. 输入失调电压与温 度的函数联系
尽管漂移的改变起伏巨大，但放大器的动态规模仍然有显着的改进。考虑增益为100且温度为85°C时，未经调理放大器的5 mV失调状况;此刻，输出失调为：
VOUT = (VOS + TCVOS × T) × G = (5 mV + 4 µV/°C × 85°C) × 100 = 534 mV.
若相同作业条件下的失调调理为5 μV，则输出失调为：
VOUT = (VOS + TCVOS × T) × G = (5 µV + 25 µV/°C × 85°C) × 100 = 213 mV,
因而，动态规模改进300 mV以上。它相同可供给现场校准和体系级漂移校准，而且该调理技能可进一步改进精度功用。
噪声
图12. 经不同办法调理后，折合到输入的噪声电压
图12显现不同放大器装备下的噪声密度。该放大器具有2 nV/√Hz的宽带噪声密度，电源电流为8 mA，功用比较现有集成式产品有所改进。10 Hz时，未经调理的1/f噪声为4 nV/√Hz;而1 Hz时为16 nV/√Hz。请注意，传统电流镜(赤色曲线)的1/f和宽带噪声都要高出1.5至2倍，而调理后的总噪声简直坚持不变，如其他三根曲线所示。
小信号传递函数
图13和图14显现不同增益与调理设置下的频率呼应。请注意，经过 RS 调理的放大器不安稳，且未调理状况下的频率呼应与电流镜调理后的频率呼应相同。
图13. 不同增益下的未调理放大器带宽
图14. 电位计处于不同方位时的单位增益带宽
输入偏置电流
运用增益装备和检测电阻丈量输入偏置电流。图4显现不同器材、电压和温度状况下的典型规模。
表4. 输入偏置电流值
定论
跟着越来越多的运用要求运用具有高输入阻抗、低噪声和最小失调电压的专业运算放大器，运用分立式器材针对特定运用规划电路也变得越来越重要。本文叙说仅运用4个分立式器材，且具有可调输入失调电压功用的高速、低噪声放大器。文章评论了每一级的规划考虑要素，并要点介绍了放大器的噪声功用，以及消除散粒噪声和1/f噪声的多种办法。选用运算放大器ADA4897和LSK389 JFET，规划并测验支撑单位增益的放大器，该放大器折合到输入的噪声为2 nV/√Hz，且电源电流仅为8 mA。10 mV规模内的高输入失调电压经过AD5292数字电位计进行数字调理。本文还评论了代替器材，以便适用于不同的运用与环境。
