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如何測量運算放大器的輸入電容以盡可能降低噪聲

發(fā)布時間:2022-06-08 來源:ADI 責任編輯:wenwei

【導讀】運算放大器被廣泛用于各種電子電路中。它們用于小電壓的放大,以進一步執(zhí)行信號處理。煙霧探測器、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)等應用都需要盡可能低的運算放大器輸入電容,因為這會影響噪聲增益(Noise Gain),進而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性,特別是具有高頻率和高增益的系統(tǒng)。


問題:


在測量運算放大器輸入電容時,應關注哪些方面?


答案:


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。您可以通過使用低電容探頭、在PCB上使用短連接線,并且避免在信號走線下大面積鋪地來盡可能規(guī)避這些問題。


運算放大器被廣泛用于各種電子電路中。它們用于小電壓的放大,以進一步執(zhí)行信號處理。煙霧探測器、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)等應用都需要盡可能低的運算放大器輸入電容,因為這會影響噪聲增益(Noise Gain),進而影響系統(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電路的精度,我們需要知道運算放大器的輸入電容的大小。但是,數(shù)據(jù)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。


表1列出了幾個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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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單方法,即增加一個電阻,與運算放大器輸入串聯(lián)(RSERIES)。這會形成一階低通濾波器,其頻率響應可由網(wǎng)絡分析儀進行記錄。我們可以根據(jù)頻率響應計算出輸入電容。電阻RSERIES一般在10 kΩ至100 kΩ之間。


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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,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,這可以通過確保信號走線和串聯(lián)電阻下方?jīng)]有接地層來實現(xiàn)。


此外,應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顯示一種可能的測試配置,其中包含網(wǎng)絡分析儀和功率分配器。


24.png

圖2.用于確定運算放大器輸入電容的測試設置。


功率分配器負責分割信號。信號1:1原樣饋送至網(wǎng)絡分析儀的輸入端,在通過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)絡分析儀根據(jù)這兩個信號之間的差值產(chǎn)生頻率響應。


要進行測量,需要確定雜散電容CSTRAY。首先,對沒有安裝運算放大器的電路板應用該信號進行測量。根據(jù)得到的波特圖,使用公式1計算CSTRAY


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f1(–3 dB)是使用網(wǎng)絡分析儀,在不帶運算放大器時測量得出的–3 dB轉角頻率,RTH1與插入的串聯(lián)電阻(RSERIES)、輸入端接電阻(50 Ω)和功率分配器(Thévenin同等產(chǎn)品)的50 Ω源阻抗成函數(shù)關系:


1653652837308045.png


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:


1653652823365531.png


其中,f2(–3 dB)是使用網(wǎng)絡分析儀,在帶有運算放大器時測量得出的–3 dB轉角頻率,RTH2與插入的串聯(lián)電阻、輸入端接電阻(50 Ω)、功率分配器的輸出電阻(50 Ω),以及運算放大器(RCM)的共模輸入阻抗成函數(shù)關系:


1653652804161718.png


一般來說,對于具有CMOS輸入的運算放大器,RSERIES << RCM。所以,RTH2 ≈ RTH1,公式3可以改寫成公式5:


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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扭曲測量結果。我們可以使用小型測試裝置,以及由網(wǎng)絡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(jù)上述公式,可以計算運算放大器的實際輸入電容。



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