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(jí)小信號(hào)的高源阻抗傳感器通常需要通過(guò)噪聲低、輸入阻抗高的前置放大器進(jìn)行放大。具有雙極結(jié)型晶體管 (BJT) 輸入級(jí)的放大器通常用于實(shí)現(xiàn)低電壓噪聲特性。與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體 (CMOS) 輸入和結(jié)型場(chǎng)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(shí)，來(lái)自 BJT 輸入級(jí)的電流噪聲會(huì)轉(zhuǎn)化為額外電壓噪聲增加。使用互補(bǔ)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(chǎng)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(xì)信息，請(qǐng)參閱 CMOS、JFET 和雙極輸入級(jí)技術(shù)之間的權(quán)衡 應(yīng)用報(bào)告。本應(yīng)用簡(jiǎn)報(bào)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(lái)。本應(yīng)用簡(jiǎn)報(bào)比較了兩種前置放大器拓?fù)洌⒎治隽烁鞣N權(quán)衡因素以及如何確定在特定情況下應(yīng)使用哪種拓?fù)洹?/p>
前置放大器拓?fù)?/h2>
圖 1 顯示了使用 INA849 的前置放大器拓?fù)洹NA849 使用 12V 單電源偏置。OPA145 輸出 6V 的 1/2 Vs 直流電壓，并驅(qū)動(dòng) INA849 的基準(zhǔn)引腳 Ref 和輸入共模電壓。INA849 具有一個(gè)電壓噪聲超低的 BJT 輸入級(jí)。BJT 輸入級(jí)通常用于實(shí)現(xiàn)低電壓噪聲特性。與高源阻抗傳感器配合使用時(shí)，來(lái)自 BJT 輸入級(jí)的電流噪聲會(huì)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(guò)靈活偏置實(shí)現(xiàn)高輸入阻抗和低噪聲的方法，請(qǐng)參見(jiàn)圖 2。JFET Q1A 和 Q1B 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 Rsource1 和 Rsource2 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?fù)渑c各種源阻抗 Rsource 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(jì)。隨著 Rsource 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?fù)渲g的總電路電流消耗和噪聲權(quán)衡。圖 1 中所示設(shè)計(jì)的總電流消耗為 6.71mA。圖 2 中所示 JFET 前端設(shè)計(jì)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 Rsource = 100kΩ 的源阻抗時(shí)，添加分立式 JFET 可提高噪聲性能（通過(guò)將輸入?yún)⒖紝拵г肼暯档?64.4%）。圖 3 顯示了將 JFET + INA849 拓?fù)渑c高源阻抗搭配使用時(shí)的 噪聲改善。
| 前置放大器拓?fù)?/td> | 總 Iq (mA) | Iq 增加百分比 | 總電壓噪聲
輸入?yún)⒖?f = 1kHz |
電壓噪聲 減少百分比 |
| 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?fù)渲粫r(shí)，可以使用一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)算方法。一般來(lái)說(shuō)，如果 ，則使用 JFET 輸入器件可降低噪聲。有關(guān)更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱 CMOS 和 JFET 放大器中電流噪聲的影響應(yīng)用手冊(cè)。INA849 的典型電流噪聲規(guī)格為 。
當(dāng) Rsource = 13.6k?，表 2 顯示 enR = eni_INA = 21.16 (nV/√Hz)。按照這個(gè)指導(dǎo)原則，使用分立式 JFET 和 INA 前置放大器時(shí)，可實(shí)現(xiàn) 噪聲改善（前置放大器見(jiàn)圖 2）。
| Rsource(?) | enR (nV/√Hz) | eni_INA(nV/√Hz) | INA 計(jì)算得出的總輸入?yún)⒖荚肼?p class="p" id="GUID-C0196419-58DE-4090-B8B3-E8929B054D8D">en_Total_INA(nV/√Hz) | JFET + INA 計(jì)算得出的總輸入?yún)⒖荚肼?p class="p" id="GUID-67FC340B-9267-4495-9D2F-0A89F37EC528">en_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(jì)算得出的，計(jì)算時(shí)使用了表 3 中所示的值。
| 值 | 說(shuō)明 |
|---|---|
| 玻爾茲曼常數(shù) | |
| 溫度（單位：開(kāi)爾文） | |
| JFE2140 以 1.59mA 偏置、f = 1kHz 時(shí)的寬帶電壓噪聲 | |
| INA849 G = 60dB、f = 1kHz 時(shí)的寬帶電壓噪聲 | |
| INA849 G = 60dB、f = 1kHz 時(shí)的寬帶電流噪聲 |
前置放大器拓?fù)渚哂衅胶獾妮斎?。因此?span id="l1r9btnrdlbb" class="ph equation-inline"> 系數(shù)在方程式 3 和方程式 4 中均使用。
設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)
分立式 JFET 通過(guò)調(diào)節(jié)漏源電壓 VDS 和柵源電壓 VGS 來(lái)提供偏置靈活性。在設(shè)計(jì)圖 2 中所示的前置放大器拓?fù)鋾r(shí)，可以考慮一些關(guān)鍵的 JFET 偏置注意事項(xiàng)。圖 4 顯示了漏源電流 IDS 與 VDS 間的關(guān)系。使用足夠的 VDS 對(duì) JFET 進(jìn)行偏置，以在飽和區(qū)域中運(yùn)行。
圖 4 ID 與 VDS 間的關(guān)系圖 5 顯示了 IG 與 VDS 間的關(guān)系。偏置 VDS，使柵極電流低于 INA849 偏置電流。
圖 5 IG 與 VDS 間的關(guān)系