在单端应用中采用差分I/O放大器

　　引言

　　最近在低压硅锗和 BiCMOS 工艺技术领域的进步已经允许设计和生产速度非常高的放大器了。因为这些工艺技术是低压的，所以大多数放大器的设计都纳入了差分输入和输出，以恢复并最大限度地提高总的输出信号摆幅。因为很多低压应用是单端的，那么问题就出现了，“我怎样才能在一个单端应用中使用差分 I/O 放大器?”以及“这么使用可能产生什么结果?”本文探讨一些实际产生的结果，并展示一些具体和使用 3GHz 增益-带宽差分 I/O 放大器 LTC6406 的单端应用。

　　背景

　　常规运算放大器有两个差分输入和一个输出。虽然增益的标称值是无穷大的，但是可通过从输出到负“反相”输入的反馈来保持对增益的控制。输出不会达到无穷大，但是差分输入可以保持为零(如同除以无穷大一样)。常规运算放大器应用的实用性、种类和优点已经有很丰富的记录了，但似乎仍然不能穷尽。全差分运算放大器一直研究得不够彻底。

　　图 1 显示了一个具有 4 个反馈电阻器的差分运算放大器。在这种情况下，差分增益的标称值仍然是无穷大，输入通过反馈连接到一起，但是这不足以决定输出电压。理由是共模输出电压可以是任意值，却仍然能导致为“零”的差分输入电压，因为反馈是对称的。因此，就任何全差分 I/O 放大器而言，始终存在另一个决定输出共模电压的控制电压。这就是 VOCM 引脚的目的，也解释了为什么全差分放大器器件至少有 5 个引脚(不包括电源引脚)而不是 4 个引脚。差分增益的等式为 VOUT(DM) = VIN(DM) • R2/R1。共模输出电压从内部强制等于加到 VOCM 上的电压。一个最终的结论是，不再存在单个反相输入：两个输入都是反相和非反相的，视所考虑的是哪一个输出而定。为方便电路分析，按照常规方法以“+”和“-”来标记两个输入，而一个输出带有圆点标记，表明它是“+”输入的反相输出。

　　任何熟悉常规运算放大器的人都知道，非反相应用在非反相输入端有固有的高输入阻抗，接近 G? 甚至 T?。但是在图 1 所示的全差分运算放大器这种情况下，存在到两个输入的反馈，因此不存在高阻抗节点。这个困难可以很幸运地克服掉。

　　全差分运算放大器简单的单端连接

　　图 2 显示了连接成单端运算放大器的 LTC6406。仅有一个输出被反馈回去，而且仅有一个输入接收反馈。其他输入现在是高阻抗的。

　　图 2：反馈仅是单端的。这个电路是稳定的，具有一个常规运放那样的高阻抗输入。闭环输出 (在这种情况下是 VOUT+ ) 是低噪声的。从闭环输出端能很好地得到单端输出，从而提供了 1.2GHz 的 3dB 带宽。开环输出 (VOUT–) 相对于 VOCM 具有 2 倍的噪声增益，但是直到约 300MHz 都表现良好，高于这个频率以后，会有明显的通带纹波。