ZHCACD5 March 2023 JFE2140

2 工作原理

JFET 前置放大器电路很容易使用小信号 T 模型进行分析，如图 2-1 所示。为了了解此电路的运行情况，首先检查输入端的前置放大器。传感器生成小信号输入电压 (v_in，用于调制 JFET 的栅源电压 (v_gs)。JFE2140 是前置放大器电路中的第一个增益级，它会传导小信号漏源电流 i_ds1 = g_m1 × v_gs1，该电流随 v_in 波动。跨导增益参数 (_gm) 用 Siemens 表示，v_gs 用伏特表示。

图 2-1 具有 JFE2140 前端小信号 T 模型的前置放大器

小信号电流 i_ds1 流经电阻器 R_D1 和 R_D2，从而在 JFE2140 的漏极之间形成差分电压 v_od。OPA202 会监控 v_od 并使用电压 v_out 驱动环路，从而使 OPA202 的输入端大致相等。JFE2140 与 OPA202 组合形成前馈增益级 A，如图 2-1 所示。假设对称和 i_ds1 = i_ds2，JFE2140 的增益为 g_m × R_D。跨导参数 g_m 可通过图 2-2 进行近似计算。当漏源电流为 1mA 时，测得的 g_m 约为 7.5mS。

图 2-2 跨导与漏源电流间的关系

OPA202 的 DC A_ol 为 150dB。结合 JFET 增益，可计算出生成的前馈增益 A，如方程式 1 所示。仿真前馈增益如图 2-3 所示，A = 175dB。这与计算结果非常吻合。

方程式 1.

A_{d B} = 20 \times \log (7.5 m S \times 2.5 k Ω) + 150 d B = 175.46 d B

图 2-3 环路参数 (dB) 与频率 (Hz) 间的关系

由于晶圆工艺变化可使 g_m 发生高达 30% 的变化，因此添加反馈网络 (β) 可保持可预测的闭环增益。β 反馈网络由电阻 R_F 和 R_G2 组成，是一个串联分流反馈网络。β 网络通过分流 OPA202 的输出对 v_out 进行采样，然后反馈成比例的电压 v_fb。电压 v_fb = v_gs2。栅极是电路的反馈求和节点。在此配置中，环路是闭合的。输入差分电压 v_id 的增加会导致 v_od 上升，从而导致 v_out 上升。如果 v_out 上升，v_gs2 也会上升。v_gs2 的增加会降低 v_id。观察到 JFET 漏极之间的差分电压降低。最终结果是 v_out 降低，从而使前置放大器的负反馈环路完整。

标准闭环增益 (A_cl) 方程式 2 适用。

方程式 2.

A_{c l} = \frac{A}{1 + A) β}

假设前馈增益 A 远高于 β，则 A_cl 大致由中波段频率中的电阻器 R_F 和 R_G2 决定。A_cl 可使用方程式 3 近似计算得出。

方程式 3.

A_{c l} \approx \frac{1}{β} \approx \frac{R_{F}}{R_{G 2}} + 1

方程式 4.

A_{c l} \approx 1001 \frac{V}{V} 或 60 d B

图 2-4 展示了 JFET 前置放大器电路的闭环增益与频率响应间的关系。

图 2-4 A_cl (dB) 与频率 (Hz) 间的关系

图 2-5 比较了 JFE2140 复合前置放大器电路与 OPA202 和 OPA145 的增益带宽。每种配置的增益均为 60dB。表 2-1 展示了 JFE2140 复合前置放大器电路可实现 3 个电路中的最高带宽。这是由于分立式 JFET 前端产生的额外前馈增益实现的。表 2-1 还展示了 JFE2140 复合电路实现的超低噪声性能。

图 2-5 增益带宽比较

表 2-1 电路拓扑比较

放大器	–3dB 点	电压噪声以输入为基准 f = 1kHz	总 Iq
JFE2140 复合前置放大器电路	17.3 kHz	$1.96 \frac{n V}{\sqrt{H z}}$	3.6mA
OPA145	5.56 kHz	$7.1 \frac{n V}{\sqrt{H z}}$	449µA
OPA202	988 Hz	$8.9 \frac{n V}{\sqrt{H z}}$	582µA

放大器

–3dB 点

电压噪声

以输入为基准

f = 1kHz

总 Iq

JFE2140 复合前置放大器电路

17.3 kHz

1.96 \frac{n V}{\sqrt{H z}}

3.6mA

OPA145

5.56 kHz

7.1 \frac{n V}{\sqrt{H z}}

449µA

OPA202

988 Hz

8.9 \frac{n V}{\sqrt{H z}}

582µA