引言
最近在低壓硅鍺和 BiCMOS 工藝技術(shù)領(lǐng)域的進步已經(jīng)允許設計和生產(chǎn)速度非常高的放大器了,。因為這些工藝技術(shù)是低壓的,，所以大多數(shù)放大器的設計都納入了差分輸入和輸出，以恢復并最大限度地提高總的輸出信號擺幅,。因為很多低壓應用是單端的,，那么問題就出現(xiàn)了，“我怎樣才能在一個單端應用中使用差分 I/O 放大器,？”以及“這么使用可能產(chǎn)生什么結(jié)果,？”本文探討一些實際產(chǎn)生的結(jié)果，并展示一些具體和使用 3GHz 增益-帶寬差分 I/O 放大器 LTC6406 的單端應用,。
背景
常規(guī)運算放大器有兩個差分輸入和一個輸出,。雖然增益的標稱值是無窮大的,，但是可通過從輸出到負“反相”輸入的反饋來保持對增益的控制。輸出不會達到無窮大,，但是差分輸入可以保持為零（如同除以無窮大一樣）,。常規(guī)運算放大器應用的實用性、種類和優(yōu)點已經(jīng)有很豐富的記錄了,，但似乎仍然不能窮盡,。全差分運算放大器一直研究得不夠徹底。
圖 1 顯示了一個具有 4 個反饋電阻器的差分運算放大器,。在這種情況下,，差分增益的標稱值仍然是無窮大，輸入通過反饋連接到一起,，但是這不足以決定輸出電壓,。理由是共模輸出電壓可以是任意值，卻仍然能導致為“零”的差分輸入電壓,，因為反饋是對稱的,。因此，就任何全差分 I/O 放大器而言,，始終存在另一個決定輸出共模電壓的控制電壓,。這就是 VOCM 引腳的目的，也解釋了為什么全差分放大器器件至少有 5 個引腳（不包括電源引腳）而不是 4 個引腳,。差分增益的等式為 VOUT(DM) = VIN(DM) • R2/R1,。共模輸出電壓從內(nèi)部強制等于加到 VOCM 上的電壓。一個最終的結(jié)論是,，不再存在單個反相輸入：兩個輸入都是反相和非反相的,，視所考慮的是哪一個輸出而定。為方便電路分析,，按照常規(guī)方法以“+”和“-”來標記兩個輸入,，而一個輸出帶有圓點標記，表明它是“+”輸入的反相輸出,。
任何熟悉常規(guī)運算放大器的人都知道,，非反相應用在非反相輸入端有固有的高輸入阻抗，接近 G? 甚至 T?,。但是在圖 1 所示的全差分運算放大器這種情況下,，存在到兩個輸入的反饋，因此不存在高阻抗節(jié)點,。這個困難可以很幸運地克服掉,。
全差分運算放大器簡單的單端連接
圖 2 顯示了連接成單端運算放大器的 LTC6406。僅有一個輸出被反饋回去,，而且僅有一個輸入接收反饋,。其他輸入現(xiàn)在是高阻抗的,。
圖 2：反饋僅是單端的。這個電路是穩(wěn)定的,，具有一個常規(guī)運放那樣的高阻抗輸入,。閉環(huán)輸出 (在這種情況下是 VOUT+ ) 是低噪聲的。從閉環(huán)輸出端能很好地得到單端輸出,，從而提供了 1.2GHz 的 3dB 帶寬,。開環(huán)輸出 (VOUT–) 相對于 VOCM 具有 2 倍的噪聲增益，但是直到約 300MHz 都表現(xiàn)良好,，高于這個頻率以后,，會有明顯的通帶紋波。
LTC6406 在這個電路中工作得很好,，而且仍然能提供一個差分輸出,。然而，一個簡單的試驗揭示出了這種配置的缺點之一,。設想所有的輸入和輸出都為 1.2V,，包括 VOCM。現(xiàn)在再設想,，驅(qū)動 VOCM 引腳,，使其額外增高 0.1V?？赡苡凶兓奈┮惠敵鍪?VOUT –，因為 VOUT + 必須保持等于 VIN,，因此為了將共模輸出升高 100mV,，放大器不得不將 VOUT – 輸出總共提高 200mV。這就是由 100mV VOCM 漂移引起的 200mV 差分輸出漂移,。這說明了以下事實：全差分放大器的單端反饋從 VOCM 引腳到“開路”輸出引入了 2 倍的噪聲增益,。為了避免這種噪聲，只是不使用這個輸出就可以了,，從而產(chǎn)生一個徹底的單端應用,。或者,，可以接受輕微的噪聲處罰,，并使用兩個輸出。
單端跨阻抗放大器
圖 3 顯示,，LTC6406 連接成為具 20k? 跨阻抗增益的單端跨阻抗放大器,。BF862 JFET 緩沖 LTC6406 的輸入，從而極大地減輕了其雙極型輸入晶體管電流噪聲的影響,。JFET 的 VGS 作為失調(diào)來考慮,，但它的典型值為 0.6V,，因此該電路在 3V 單電源時仍然能很好地工作，而且該失調(diào)可以用 10k 電位器去掉,。時域響應如圖 4 所示,。在 20MHz 帶寬上的總輸出噪聲在 VOUT + 端為 0.8mVRMS，而在 VOUT – 端為 1.1mVRMS,。以差分方式計算,，跨阻抗增益為 40k?。
圖 3：跨阻抗放大器,。超低噪聲 JFET 緩沖雙極型 LTC6406 輸入的電流噪聲,，在沒有任何線索的情況下試著微調(diào)電位器，以獲得 0V 差分輸出,。
結(jié)論
LTC6406 等新的全差分運算放大器系列提供了前所未有的帶寬,。幸運的是，這些運算放大器還可以在單端應用及 100% 反饋應用中很好地工作,。