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如何測(cè)量運(yùn)算放大器的輸入電容以盡可能降低噪聲

本文作者：Thomas Brand 點(diǎn)擊： 2023-01-30 14:03

前言：

作者：ADI現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師Thomas Brand

問(wèn)題：

在測(cè)量運(yùn)算放大器輸入電容時(shí)，應(yīng)關(guān)注哪些方面？

答案：

在ADI看來(lái)，必須確保測(cè)量精度不受PCB或測(cè)試裝置的雜散電容和電感影響。您可以通過(guò)使用低電容探頭、在PCB上使用短連接線，并且避免在信號(hào)走線下大面積鋪地來(lái)盡可能規(guī)避這些問(wèn)題。

如今，運(yùn)算放大器已被廣泛用于各種電子電路中。它們用于小電壓的放大，以進(jìn)一步執(zhí)行信號(hào)處理。煙霧探測(cè)器、光電二極管跨阻放大器、醫(yī)療器械，甚至工業(yè)控制系統(tǒng)等應(yīng)用都需要盡可能低的運(yùn)算放大器輸入電容，因?yàn)檫@會(huì)影響噪聲增益（Noise Gain），進(jìn)而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，特別是具有高頻率和高增益的系統(tǒng)。

為了盡可能提高相應(yīng)電路的精度，需要知道運(yùn)算放大器的輸入電容的大小。但是，數(shù)據(jù)手冊(cè)中通常不提供這一信息，所以需要單獨(dú)確定。這可能很困難，因?yàn)樵谠S多情況下，輸入電容都只有幾pF。

ADI在表1列出了幾個(gè)不同的運(yùn)算放大器示例，及其各自的輸入電容值。

表1.不同的運(yùn)算放大器及其輸入電容值

運(yùn)算放大器	運(yùn)算放大器類型	輸入電容
LT1792	JFET輸入運(yùn)算放大器	14pF
LT1813	低噪聲運(yùn)算放大器	2pF
AD826	高速雙通道運(yùn)算放大器	1.5pF
ADA4097-1	低輸入偏置電流/精密運(yùn)算放大器	3pF
AD8009	電流反饋運(yùn)算放大器	2.6pF

如何確定輸入電容

圖1顯示了確定運(yùn)算放大器輸入電容的一種簡(jiǎn)單方法，即增加一個(gè)電阻，與運(yùn)算放大器輸入串聯(lián)(RSERIES)。這會(huì)形成一階低通濾波器，其頻率響應(yīng)可由網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行記錄。我們可以根據(jù)頻率響應(yīng)計(jì)算出輸入電容。電阻RSERIES一般在10kΩ至100kΩ之間。

圖1.在運(yùn)算放大器輸入端增加串聯(lián)電阻之后，可以測(cè)量運(yùn)算放大器的輸入電容。

在記錄頻率響應(yīng)時(shí)，必須確保測(cè)量精度不受PCB或測(cè)試設(shè)備的雜散電容和雜散電感影響。

為提高測(cè)量分辨率，應(yīng)盡可能降低雜散電容。建議使用低電容(<1 pF) FET探頭。

PCB對(duì)地電容應(yīng)盡可能低，這可以通過(guò)確保信號(hào)走線和串聯(lián)電阻下方?jīng)]有接地層來(lái)實(shí)現(xiàn)。

此外，應(yīng)使用盡可能短的線路和（電阻）引線，以規(guī)避額外的誤差源，例如串聯(lián)電感和寄生電感。

圖2顯示一種可能的測(cè)試配置，其中包含網(wǎng)絡(luò)分析儀和功率分配器。

功率分配器負(fù)責(zé)分割信號(hào)。信號(hào)1:1原樣饋送至網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸入端，在通過(guò)插入的低通濾波器之后，到達(dá)運(yùn)算放大器的輸入端。然后，網(wǎng)絡(luò)分析儀根據(jù)這兩個(gè)信號(hào)之間的差值產(chǎn)生頻率響應(yīng)。

圖2.用于確定運(yùn)算放大器輸入電容的測(cè)試設(shè)置。

要進(jìn)行測(cè)量，需要確定雜散電容CSTRAY。首先，對(duì)沒(méi)有安裝運(yùn)算放大器的電路板應(yīng)用該信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)得到的波特圖，使用公式1計(jì)算CSTRAY：

f1(–3dB)是使用網(wǎng)絡(luò)分析儀，在不帶運(yùn)算放大器時(shí)測(cè)量得出的–3dB轉(zhuǎn)角頻率，RTH1與插入的串聯(lián)電阻(RSERIES)、輸入端接電阻(50Ω)和功率分配器（Thévenin同等產(chǎn)品）的50Ω源阻抗成函數(shù)關(guān)系：

然后，將運(yùn)算放大器安裝到PCB上。

由于PCB的雜散電容與運(yùn)算放大器的輸入電容并聯(lián)，所以在公式1中加入CIN，如公式3所示：

其中，f2(–3dB)是使用網(wǎng)絡(luò)分析儀，在帶有運(yùn)算放大器時(shí)測(cè)量得出的–3dB轉(zhuǎn)角頻率，RTH2與插入的串聯(lián)電阻、輸入端接電阻(50Ω)、功率分配器的輸出電阻(50Ω)，以及運(yùn)算放大器(RCM)的共模輸入阻抗成函數(shù)關(guān)系：

一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于具有CMOS輸入的運(yùn)算放大器，RSERIES << RCM。所以，RTH2 ≈ RTH1，公式3可以改寫成公式5：

然后，可以使用公式1和公式5確定運(yùn)算放大器的輸入電容。

結(jié)論

運(yùn)算放大器的輸入電容是很難測(cè)量的。它通常只有幾pF，并且測(cè)試設(shè)置中的寄生效應(yīng)會(huì)扭曲測(cè)量結(jié)果。不過(guò)，ADI認(rèn)為可以使用小型測(cè)試裝置，以及由網(wǎng)絡(luò)分析儀和功率分配器構(gòu)成的適用測(cè)量設(shè)備輕松確定輸入電容。首先，確定雜散電容（測(cè)試設(shè)置中的誤差電容），然后，通過(guò)頻率響應(yīng)確定運(yùn)算放大器電路的組合電容（誤差電容和輸入電容）。根據(jù)上述公式，就可以計(jì)算運(yùn)算放大器的實(shí)際輸入電容了。

關(guān)于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司，致力于在現(xiàn)實(shí)世界與數(shù)字世界之間架起橋梁，以實(shí)現(xiàn)智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng)新。ADI提供結(jié)合模擬、數(shù)字和軟件技術(shù)的解決方案，推動(dòng)數(shù)字化工廠、汽車和數(shù)字醫(yī)療等領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展，應(yīng)對(duì)氣候變化挑戰(zhàn)，并建立人與世界萬(wàn)物的可靠互聯(lián)。ADI公司2022財(cái)年收入超過(guò)120億美元，全球員工2.4萬(wàn)余人。攜手全球12.5萬(wàn)家客戶，ADI助力創(chuàng)新者不斷超越一切可能。更多信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)www.analog.com/cn。

關(guān)于作者

Thomas Brand于2015年加入德國(guó)慕尼黑的ADI公司，當(dāng)時(shí)他還在攻讀碩士。畢業(yè)后，他參加了ADI公司的培訓(xùn)生項(xiàng)目。2017年，他成為一名現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師。Thomas為中歐的大型工業(yè)客戶提供支持，并專注于工業(yè)以太網(wǎng)領(lǐng)域。他畢業(yè)于德國(guó)莫斯巴赫的聯(lián)合教育大學(xué)電氣工程專業(yè)，之后在德國(guó)康斯坦茨應(yīng)用科學(xué)大學(xué)獲得國(guó)際銷售碩士學(xué)位。

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