一些半導體廠商最近幾年開始提供全差分放大器(fully-differential amplifiers)了,但這種放大器應用在尖端電子裝置已經有數十年。這些差分放大器在輸入端和輸出端都是差分的,輸出範圍也得以加倍放大。它們的輸入和輸出埠都是封閉路徑,沒有共用接地節點(common ground node)。與地面隔離可改善波形品質。由於保持了輸入和輸出電路迴路本身的完整性,接地僅對靜態分析和共模範圍才顯得重要。

尖端電子技術從量測儀器開始測試

儘管電子產業沒有像Indy 500或Grand Prix等能現場測試最新概念車的大型賽車活動,電子產品的開發還是有自己的測試場域。例如,在第二次世界大戰期間,美國麻省理工學院(MIT)的輻射實驗室在雷達研發方面取得了一些出色的成果;直至今日,人們仍然很羡慕那個時代的「Rad Lab」文獻,其中包含一些電子產品所採納的理論陳述。再早期的例子還有在RCA開發電視的Vladimir Zworykin提出的理論;這是一個真正的技術突破,完全不同於現今產品的逐步演進模式。

1950年代,Tektronix擁有一群極具創新精神的工程師,包括Howard Vollum、Jack Murdock、Cliff Moulton、John Kobbe (JK正反器就是他發明的)以及Bill Polits等;他們不但開發出實驗室等級陰極射線(cathode-ray)示波器,而且營造出最激勵人心的理想技術開發環境。在由技術創新驅動的示波器市場上,Tektronix一度贏得超過70%的市佔率,其成功的根本就在於先進的工程技術,因為該公司創辦人自己就是一位很有發明創造力的工程師;這是一家典型的工程導向、鼓勵創意創新的企業。

Tektronix和HP (現在是Keysight)為測試和量測(T&M)設備業者中的傑出典範,而高性能量測儀器就是電子產業的「賽道」──畢竟,為了量測所開發電路的性能特徵,量測儀器電路本身必須要足夠好。於是在T&M設備中發現了很多有趣的電路,差分放大器就是其中之一。

示波器內的差分放大器

示波器使用全差分放大器已經有幾十年了(為什麼它們需要這麼長時間才成為商用IC呢?),它們通常可見於垂直放大器中,探棒電壓按精確增益放大,然後將放大的波形應用於CRT的垂直偏轉板(vertical deflection plates)。除了通常由接地參考探棒驅動第一級(first stage)外,它們都是全差分放大器。

為了示範,我們來看看Tektronix T935A 35 MHz示波器的垂直放大器的一部分,雖然現在已經過時,但它在1970年代可是最先進的,並且成本低廉。

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圖1:輸入緩衝放大器級。

圖1中的輸入緩衝放大器級(input buffer amplifier stage)是從使用手冊上掃描的。(順帶一提,以前的Tektronix 「使用手冊」中的電路圖可真是藝術作品,是今天的CAD繪圖比不上的──這就是科技進步的代價!)

第一級(first stage)由JFET Q4222A和B組成,探棒波形輸入到Q4222B的閘極。它與下方的另一個JFET形成x1緩衝放大器,輸入和輸出之間的偏移電壓接近零。這是透過使用匹配的JFET,並將下面的JFET作為電流源來實現的。其閘極連接到-8V電源,R4225 (源極的20Ω電阻)兩端的電壓VGS對應其上方JFET中流過的汲極電流。

JFET是匹配的,在相同的電流下,上方的JFET具有相同的VGS。因此,相應的20Ω電阻R4224的下端電壓與輸入閘極電壓相同,並將JFET偏置在零TC工作點。上方的JFET的電流隨著Q4232的基極電流略微增加,但是很小,匹配是足夠的。

該放大器在第二級驅動全差分放大器,由Q4232和Q4234組成,只有上方的BJT (Q4232)需要由放大的波形驅動,而下方的輸入在Q4234的基極,動態(AC)接地到示波器探棒電路接地端,從而完成輸入電路的返回。由於垂直放大器(與所有放大器一樣)具有輸入偏移誤差,未使用的輸入可用於輸入偏移誤差調整,這在示波器術語中叫直流平衡(DC balance),其中的平衡代表示波器放大器是高差分的,必須使放大器的兩側在相同的靜態(DC)條件下工作。

第二級的輸出也是差分的,這一級只是一個射極隨耦器(emitter-follower),沒有電壓增益,但需要向JFET緩衝器提供高輸入阻抗,並以低阻抗驅動第三級。換言之,它為下一級提供了一個電壓源。然而,在其差分輸出端,輸入波形尚未達到差分平衡,因為射極隨耦器之間沒有增益相互作用,並且它們之間沒有發生輸入波形的分裂。第二級僅在有2個輸入和2個輸出時才是差分的;在沒有電壓增益的情況下,輸入差分電壓等於輸出差分電壓。

延遲線(delay line)的後面三級如圖2所示,這是同一個放大器的延續。

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圖2:延遲線的後面三級。

Q4258和Q4268組成一個全差分放大器級,共用射極電阻R4254;這是一個阻值為63.4Ω、誤差為1%的電阻。電阻R4257和R4267連接到-8V電源,比R4254大得多,接近BJT發射器的電流源。

上方Q4258 BJT基極的波形透過射極電路分開,並與下方Q4268 BJT共用(差不多各佔一半),因此在負載電阻上出現平衡波形,具有相同的幅度和相反的極性。如果將R4254或RE分成兩個值為RE/2的串聯電阻,那麼它們的中點將是平衡輸入差分放大器的「虛擬接地」(virtual ground)空節點。在這一級,輸入波形幅度的一半(僅應用於上方BJT)將出現在空節點處。

下一級(Q4274,Q4284)是一個互補疊接放大器(complementary cascode amplifier)的後半部分——共基極;它是完全差分的,最後一級的共集極(Q4276,Q4286)也是如此。

級增益(Stage Gain)

要計算互補疊接級的差分電壓增益,請注意分流電阻R4271和R4281 (均為825Ω)的Q4274和Q4284,其射極增量──或小訊號(small-signal)──電阻要小得多,因此大多數ΔIC (即來自Q4258和Q4268的增量電流)流經Q4274和Q4284,在負載電阻R4273和R4283 (均為499Ω)兩端產生電壓。825Ω電阻的目的,是為共基級提供射極偏置電流。級增益主要由集極負載電阻和射極電阻R4254決定:

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上下電壓由下標字u和l表示,它們的區別在於輸入和輸出差分電壓。放大器的上側和下側都會影響總增益,所以在Av的BJT增益前面x2。因為RE (R4254)非常接近BJT的動態射極電阻re,所以更好的增益近似是在增益方程的分母中將RE增加2 x re,其中:

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Av≅-12.9,每個BJT的射極電流為3.72mA。負載電阻下一級輸入阻抗的載入以及兩個疊接BJT的電流損耗α被忽略。你覺得放大器設計師想要獲得-10的增益嗎?

結語

全差分單晶片放大器已經問世了幾年,例如ADI AD8138,用於驅動高解析度ADC和其他高性能(高速和高精度)放大器應用,其實它們的前身已經在示波器中使用了幾十年。量測儀器電路中是否還有其他不錯的單晶片放大器產品點子可能被半導體公司挖掘出來?

本文同步刊登於EDN電子技術設計2018年11月平面雜誌

(參考原文: Fully-Differential Amplifiers and the Leading Edge in Electronics,by Dennis Feucht)