【環(huán)球聚看點】如何測量運算放大器的輸入電容以盡可能降低噪聲

作者：ADI現(xiàn)場應用工程師Thomas Brand

問題：

在測量運算放大器輸入電容時，應關注哪些方面？

(資料圖片僅供參考)

答案：

在ADI看來，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。

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，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

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)(R_SERIES)。這會形成一階低通濾波器，其頻率響應可由網絡分析儀進行記錄。我們可以根據頻率響應計算出輸入電容。電阻R_SERIES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，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)電阻下方沒有接地層來實現(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，其中包含網絡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，網絡分析儀根據這兩個信號之間的差值產生頻率響應。

圖2.用于確定運算放大器輸入電容的測試設置。

要進行測量，需要確定雜散電容C_STRAY。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。根據得到的波特圖，使用公式1計算C_STRAY：

f₁(–3dB)是使用網絡分析儀，在不帶運算放大器時測量得出的–3dB轉角頻率，R_TH1與插入的串聯(lián)電阻(R_SERIES)、輸入端接電阻(50Ω)和功率分配器（Thévenin同等產品）的50Ω源阻抗成函數關系：

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C_IN，如公式3所示：

其中，f₂(–3dB)是使用網絡分析儀，在帶有運算放大器時測量得出的–3dB轉角頻率，R_TH2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(R_CM)的共模輸入阻抗成函數關系：

一般來說，對于具有CMOS輸入的運算放大器，R_SERIES<< R_CM。所以，R_TH2≈ R_TH1，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。不過，ADI認為可以使用小型測試裝置，以及由網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）。根據上述公式，就可以計算運算放大器的實際輸入電容了。

關于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領先的半導體公司，致力于在現(xiàn)實世界與數字世界之間架起橋梁，以實現(xiàn)智能邊緣領域的突破性創(chuàng)新。ADI提供結合模擬、數字和軟件技術的解決方案，推動數字化工廠、汽車和數字醫(yī)療等領域的持續(xù)發(fā)展，應對氣候變化挑戰(zhàn)，并建立人與世界萬物的可靠互聯(lián)。ADI公司2022財年收入超過120億美元，全球員工2.4萬余人。攜手全球12.5萬家客戶，ADI助力創(chuàng)新者不斷超越一切可能。更多信息，請訪問www.analog.com/cn。

關于作者

Thomas Brand于2015年加入德國慕尼黑的ADI公司，當時他還在攻讀碩士。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(xiàn)場應用工程師。Thomas為中歐的大型工業(yè)客戶提供支持，并專注于工業(yè)以太網領域。他畢業(yè)于德國莫斯巴赫的聯(lián)合教育大學電氣工程專業(yè)，之后在德國康斯坦茨應用科學大學獲得國際銷售碩士學位。

關鍵詞： 運算放大器 輸入電容 網絡分析儀 雜散電容 功率分配器