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JFET运算放大器等于低噪声双极和具有皮安电流噪声

来源:analog 发布时间:2023-10-25

摘要: LT1792和LT1793是单JFET运放,提供极低的电压噪声(LT1792为4nV/√Hz, LT1793为6nV/√Hz)和低电流噪声(LT1792为10fA/√Hz, LT1793为0.8fA/√Hz),在很宽的换能器阻抗范围内提供最低的总噪声。

LT1792和LT1793是单JFET运放,提供极低的电压噪声(4nV/√)赫兹用于LT1792和6nV/√赫兹对于LT1793)和低电流噪声(10fA/√赫兹为LT1792和0.8fA/√赫兹对于LT1793),在很宽的换能器阻抗范围内提供最低的总噪声。传统上,运算放大器用户一直面临着一个选择:哪个运算放大器将具有最低的传感器噪声。对于高换能器阻抗,由于电流噪声较低,LT1792/LT1793 JFET运放将胜过电压噪声最低的双极运放。放大器的电流噪声(2qI(B))是输入偏置电流(I(B))的函数。对于较低的换能器阻抗,双极运算放大器通常优于典型的JFET运算放大器,因为对于差分输入对相同的尾电流,双极运算放大器的电压噪声较低。LT1792/LT1793运算放大器的电压噪声接近双极运算放大器。所有这些运算放大器都是无条件稳定的增益为一个或多个,即使在1000pF的容性负载。LT1792/LT1793具有250µV的低失调电压和400万的高直流增益,适用于精密应用。电压噪声、压转率和增益带宽产品均经过100%测试。所有的规格都保持在SO-8封装中。

LT1792/LT1793提供的低电压和电流噪声的组合使它们在广泛的应用中非常有用,特别是与高阻抗电容式换能器,如水听器,精密加速度计和光电二极管。这种系统中的总噪声是增益乘以运算放大器输入参考电压噪声平方、换能器热噪声(4kTR)和运算放大器偏置电流噪声乘以换能器电阻平方(2qI(B) × R(2))之和的平方根。图1显示了总输入电压噪声与源电阻的关系。在低源电阻应用(<5k)中,运放的电压噪声将主导总噪声。在这个低源电阻区域,LT1792/LT1793 JFET运放远远领先于其他JFET运放;只有极低噪声的双极运放,如LT1007和LT1028才具有边缘。当源电阻从5k增加到50k时,LT1792/LT1793将匹配最佳双极或JFET运放的噪声性能,因为换能器(4kTR)的热噪声将主导总噪声。源电阻进一步增加到50k以上,使我们进入运算放大器电流噪声(2qI(B) × R(source))将主导总噪声的区域。在这些高源电阻下,由于FET输入运放固有的低电流噪声,LT1792/LT1793将优于最低噪声双极运放。在某些情况下,可能有必要在源电阻并联上添加一个电容,以消除由源阻抗和输入电容(LT1792为14pF, LT1793为1.5pF)引起的极。观察源电阻超过100k时噪声的变化情况;LT1792和LT1793的总体噪声实际上降低了。


图1所示   LT1792/LT1793和LT1007输入电压噪声与源电阻的比较

高输入阻抗的JFET前端使得LT1792和LT1793适用于需要非常高电荷灵敏度的应用。图2说明了LT1792和LT1793在反相和非反相工作模式下的情况。反相模式示例中示出电荷放大器;这里的增益取决于放大器输入端的电荷守恒原理。通过换能器电容C(S)的电荷被转移到反馈电容C(F),导致电压dV的变化等于dQ/C(F),从而产生增益C(F)/C(S)。对于单位增益,C(F)应等于换能器电容加上放大器的输入电容,R(F)应等于R(S)。在非反相模式示例中,换能器电流通过换能器电容转换为电压的变化;这个电压然后被放大器缓冲,增益为1 + R2/R1。直流路径由R(S)提供,R(S)要么是换能器阻抗,要么是外部电阻。由于R(S)通常比R1和R2的并联组合大几个数量级,因此加入RB来平衡由非反相输入偏置电流和R(S)引起的直流偏置。输入偏置电流虽然在室温下很小,但在温度升高时可能产生显着误差,特别是当传感器电阻高达1000M或更高时。R(B)的最佳值是通过将热噪声(4kTR(S))与电流噪声乘以R(S) (2qIB) R(S)相等来确定的,从而得到R(B) = 2V(T)/I(B) (V(T) = kT/q = 26mV, 25°C)。并联电容C(B)用于抵消由运放输入电容和R(B)引起的相移。


图2 LT1792/LT1793逆变和非逆变增益配置

LT1792具有最低的电压噪声(4nV/√)赫兹),这使其成为阻抗在5k或以下的传感器的最佳选择。对于阻抗超过100M的换能器,LT1793的典型输入偏置电流仅为3pA,其输出噪声将低于LT1792。LT1793具有非常高的输入电阻(10(13)欧姆)的额外优点。与大多数JFET运算放大器不同,LT1792和LT1793的输入偏置电流在整个共模范围内几乎保持恒定。表1总结了LT1792和LT1793的规范。

表1 LT1792 / LT1793规范
参数LT1792LT1793单位
V (OS) (Max)0.560.73mV
我(B) (Max)45010巴勒斯坦权力机构
e (N) (1 khz)4.26nV /√赫兹
我(N) (1 khz)106fA /√赫兹
GBWP (f(O) = 100kHz)65兆赫
我(年代)4.24.2

LT1792和LT1793的低噪声是通过最大化输入对的g(m)来实现的。与标准的单栅极jfet相比,多栅极jfet具有更高的gm-to-area ratio。这是通过最大化尾电流和输入JFET几何形状的尺寸来实现的。总电源电流的40%用作LT1792和LT1793的尾电流。这些运算放大器最好与非常高阻抗的换能器一起使用。图3中的低噪声水听器放大器是LT1792表现出色的应用。水听器输出的交流电流通过100M输入电阻(R8)转换成电压输出。这个信号被R3/R2比例放大。水听器输出端的直流漏电流被反馈放大器的伺服作用所抵消。该放大器不需要有LT1792的低电压噪声;因此,可以选择最小化整个系统供电电流。LT1464的电源电流小于LT1792和LT1793的一个数量级,输入偏置电流小于皮安。这允许使用高值电阻器和较便宜的低值电容器来设置该回路的时间常数。


图3 带直流伺服的低噪声水听器放大器

当放大来自高阻抗源的低电平信号时,LT1792和LT1793运算放大器本身是一类。优化了设计和工艺,以实现低功耗、低电流和低电压噪声。大多数竞争的JFET运算放大器将具有更高的电压噪声或更高的电源电流。几乎所有的双极运放都会有更高的电流噪声。在给定的电源电流下,没有其他运放能够提供这样的噪声性能。对于低噪声和低功耗的应用,LT1792和LT1793是最佳选择。

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