作者：ADI現場(chǎng)應用工程師Thomas Brand
問(wèn)題：
在測量運算放大器輸入電容時(shí)，應關(guān)注哪些方面？
答案：
在A(yíng)DI看來(lái)，必須確保測量精度不受PCB或測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(xiàn)，并且避免在信號走線(xiàn)下大面積鋪地來(lái)盡可能規避這些問(wèn)題。
如今，運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)一步執行信號處理。煙霧探測器、光電二極管跨阻放大器、醫療器械，甚至工業(yè)控制系統等應用都需要盡可能低的運算放大器輸入電容，因為這會(huì )影響噪聲增益（Noise Gain），進(jìn)而影響系統的穩定性，特別是具有高頻率和高增益的系統。
為了盡可能提高相應電路的精度，需要知道運算放大器的輸入電容的大小。但是，數據手冊中通常不提供這一信息，所以需要單獨確定。這可能很困難，因為在許多情況下，輸入電容都只有幾pF。
ADI在表1列出了幾個(gè)不同的運算放大器示例，及其各自的輸入電容值。
表1.不同的運算放大器及其輸入電容值
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運算放大器
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運算放大器類(lèi)型
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輸入電容
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LT1792
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JFET輸入運算放大器
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14pF
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LT1813
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低噪聲運算放大器
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2pF
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AD826
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高速雙通道運算放大器
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1.5pF
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ADA4097-1
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低輸入偏置電流/精密運算放大器
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3pF
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AD8009
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電流反饋運算放大器
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2.6pF
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如何確定輸入電容
圖1顯示了確定運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，其頻率響應可由網(wǎng)絡(luò )分析儀進(jìn)行記錄。我們可以根據頻率響應計算出輸入電容。電阻RSERIES一般在10kΩ至100kΩ之間。
圖1.在運算放大器輸入端增加串聯(lián)電阻之后，可以測量運算放大器的輸入電容。
在記錄頻率響應時(shí)，必須確保測量精度不受PCB或測試設備的雜散電容和雜散電感影響。
為提高測量分辨率，應盡可能降低雜散電容。建議使用低電容(<1 pF) FET探頭。
PCB對地電容應盡可能低，這可以通過(guò)確保信號走線(xiàn)和串聯(lián)電阻下方?jīng)]有接地層來(lái)實(shí)現。
此外，應使用盡可能短的線(xiàn)路和（電阻）引線(xiàn)，以規避額外的誤差源，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。
功率分配器負責分割信號。信號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，到達運算放大器的輸入端。然后，網(wǎng)絡(luò )分析儀根據這兩個(gè)信號之間的差值產(chǎn)生頻率響應。
圖2.用于確定運算放大器輸入電容的測試設置。
要進(jìn)行測量，需要確定雜散電容CSTRAY。首先，對沒(méi)有安裝運算放大器的電路板應用該信號進(jìn)行測量。根據得到的波特圖，使用公式1計算CSTRAY：
f1(–3dB)是使用網(wǎng)絡(luò )分析儀，在不帶運算放大器時(shí)測量得出的–3dB轉角頻率，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源阻抗成函數關(guān)系：
然后，將運算放大器安裝到PCB上。
由于PCB的雜散電容與運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，在帶有運算放大器時(shí)測量得出的–3dB轉角頻率，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)，以及運算放大器(RCM)的共模輸入阻抗成函數關(guān)系：
一般來(lái)說(shuō)，對于具有CMOS輸入的運算放大器，RSERIES << RCM。所以，RTH2 ≈ RTH1，公式3可以改寫(xiě)成公式5：
然后，可以使用公式1和公式5確定運算放大器的輸入電容。
結論
運算放大器的輸入電容是很難測量的。它通常只有幾pF，并且測試設置中的寄生效應會(huì )扭曲測量結果。不過(guò)，ADI認為可以使用小型測試裝置，以及由網(wǎng)絡(luò )分析儀和功率分配器構成的適用測量設備輕松確定輸入電容。首先，確定雜散電容（測試設置中的誤差電容），然后，通過(guò)頻率響應確定運算放大器電路的組合電容（誤差電容和輸入電容）。根據上述公式，就可以計算運算放大器的實(shí)際輸入電容了。
關(guān)于A(yíng)DI公司
Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導體公司，致力于在現實(shí)世界與數字世界之間架起橋梁，以實(shí)現智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng )新。ADI提供結合模擬、數字和軟件技術(shù)的解決方案，推動(dòng)數字化工廠(chǎng)、汽車(chē)和數字醫療等領(lǐng)域的持續發(fā)展，應對氣候變化挑戰，并建立人與世界萬(wàn)物的可靠互聯(lián)。ADI公司2022財年收入超過(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(hù)，ADI助力創(chuàng )新者不斷超越一切可能。更多信息，請訪(fǎng)問(wèn)www.analog.com/cn。
關(guān)于作者
Thomas Brand于2015年加入德國慕尼黑的ADI公司，當時(shí)他還在攻讀碩士。畢業(yè)后，他參加了ADI公司的培訓生項目。2017年，他成為一名現場(chǎng)應用工程師。Thomas為中歐的大型工業(yè)客戶(hù)提供支持，并專(zhuān)注于工業(yè)以太網(wǎng)領(lǐng)域。他畢業(yè)于德國莫斯巴赫的聯(lián)合教育大學(xué)電氣工程專(zhuān)業(yè)，之后在德國康斯坦茨應用科學(xué)大學(xué)獲得國際銷(xiāo)售碩士學(xué)位。 |
