超低噪聲BiFET運算放大器AD743：特性、應(yīng)用與設(shè)計要點

在電子工程師的日常設(shè)計工作中，選擇合適的運算放大器是實現(xiàn)高性能電路的關(guān)鍵。今天，我們來深入探討一款性能卓越的超低噪聲BiFET運算放大器——AD743。

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一、AD743概述

AD743是一款超低噪聲、高精度、FET輸入的單片運算放大器。它結(jié)合了雙極型輸入運算放大器的超低電壓噪聲和FET輸入器件的極低輸入電流的優(yōu)點。并且，當超過負共模電壓限制時，AD743不會出現(xiàn)輸出相位反轉(zhuǎn)的情況，這在一些對信號相位精度要求較高的應(yīng)用中非常重要。它采用16引腳SOIC和8引腳PDIP封裝，其中AD743J的工作溫度范圍為0°C至70°C。

二、AD743的特性

（一）超低噪聲性能

1. 電壓噪聲：在10 kHz時，電壓噪聲低至(2.9 nV / sqrt{Hz})；在0.1 Hz至10 Hz頻段，噪聲為0.38 μV p-p。如此低的噪聲水平使得AD743在對噪聲敏感的應(yīng)用中表現(xiàn)出色，比如音頻處理、傳感器信號放大等。
2. 電流噪聲：在1 kHz時，電流噪聲為(6.9 fA / sqrt{Hz})。低電流噪聲對于高阻抗源的應(yīng)用尤為重要，能夠有效減少因電流噪聲引入的誤差。

（二）出色的DC性能

1. 失調(diào)電壓：最大失調(diào)電壓為0.5 mV，這意味著在直流信號放大時，輸出信號的誤差較小，能夠更準確地反映輸入信號的變化。
2. 輸入偏置電流：最大輸入偏置電流為250 pA，低輸入偏置電流可以降低因偏置電流在輸入電阻上產(chǎn)生的電壓降，從而提高電路的精度。
3. 開環(huán)增益：最小開環(huán)增益為1000 V/mV，高的開環(huán)增益使得運算放大器在閉環(huán)應(yīng)用中能夠更精確地實現(xiàn)所需的增益。

（三）AC性能

1. 壓擺率：壓擺率為2.8 V/μs，它決定了運算放大器能夠處理的最大信號變化率，對于快速變化的信號，較高的壓擺率可以保證信號的不失真放大。
2. 單位增益帶寬：單位增益帶寬為4.5 MHz，這表示在該帶寬范圍內(nèi)，運算放大器的增益為1，能夠滿足一定頻率范圍內(nèi)的信號放大需求。
3. 總諧波失真：在1 kHz時，總諧波失真為(0.0003 %)，低的總諧波失真說明輸出信號的失真度較小，能夠更好地還原輸入信號。

三、AD743的應(yīng)用領(lǐng)域

（一）聲納前置放大器

在聲納系統(tǒng)中，微弱的聲納信號需要經(jīng)過前置放大才能進行后續(xù)處理。AD743的超低噪聲性能可以有效提高聲納信號的信噪比，從而增強聲納系統(tǒng)的探測能力。那么，在實際聲納系統(tǒng)設(shè)計中，如何根據(jù)具體的聲納信號特點來優(yōu)化AD743的電路參數(shù)呢？這是我們需要進一步思考的問題。

（二）高動態(tài)范圍濾波器（> 140 dB）

對于需要處理寬動態(tài)范圍信號的濾波器，AD743的低失調(diào)電壓和低噪聲特性能夠保證濾波器在不同信號強度下都能穩(wěn)定工作，實現(xiàn)高動態(tài)范圍的信號處理。當設(shè)計這類濾波器時，怎樣選擇合適的外圍元件與AD743配合，以達到最佳的濾波效果呢？

（三）光電二極管和紅外探測器放大器

光電二極管和紅外探測器輸出的信號通常非常微弱，AD743的低噪聲和低輸入偏置電流特性可以將這些微弱信號進行有效放大，同時減少噪聲干擾。在實際應(yīng)用中，如何處理探測器與AD743之間的接口問題，以提高系統(tǒng)的整體性能呢？

（四）加速度計

加速度計輸出的信號對噪聲和精度要求較高，AD743的超低噪聲和出色的DC性能能夠滿足加速度計信號放大的需求，確保加速度測量的準確性。在加速度計電路設(shè)計中，如何考慮溫度變化對AD743性能的影響，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性呢？

四、AD743的設(shè)計要點

（一）低噪聲電路設(shè)計

1. 噪聲區(qū)域特性：運算放大器的輸入電壓噪聲性能通常分為平帶和低頻噪聲兩個區(qū)域。AD743在這兩個區(qū)域都表現(xiàn)出色，在10 kHz時的(2.9 nV / sqrt{Hz})噪聲水平對于JFET輸入放大器來說是非常優(yōu)秀的，而0.1 Hz至10 Hz的噪聲通常為0.38 μV p-p。
2. 優(yōu)化低頻噪聲性能的方法
   • 屏蔽氣流：隨機氣流會產(chǎn)生變化的熱電偶電壓，表現(xiàn)為低頻噪聲，因此敏感電路應(yīng)良好地屏蔽氣流。比如在實際設(shè)計中，可以采用金屬屏蔽罩來減少氣流對電路的影響。那么，在不同的應(yīng)用環(huán)境中，如何選擇合適的屏蔽材料和方式呢？
   • 降低芯片溫度：保持芯片絕對溫度低也能從兩個方面減少低頻噪聲。一是低頻噪聲強烈依賴于環(huán)境溫度，在高于 +25°C 時會增加；二是IC封裝到環(huán)境的溫度梯度越大，隨機氣流產(chǎn)生的噪聲幅度也會越大。可以通過降低電源電壓和使用合適的夾式散熱器來降低芯片溫度。在選擇散熱器時，需要考慮哪些因素才能達到最佳的散熱效果呢？
3. 低頻電流噪聲計算：低頻電流噪聲可以通過公式(tilde{I}{n}=sqrt{2 q I{B} Delta f})計算，在低于約100 Hz時，其功率譜密度以1/f方式增加。對于AD743，在1 kHz時的典型電流噪聲值為(6.9 fA / sqrt{Hz})。使用公式(tilde{I}_{n}=sqrt{4 k T / R Delta f})計算電阻的約翰遜噪聲（以電流形式表示），可以發(fā)現(xiàn)AD743的電流噪聲相當于一個(3.45 ×10^{8} Omega)的源電阻。
4. 高頻電流噪聲特性：在高頻時，F(xiàn)ET的電流噪聲與頻率成正比增加，這是由于柵極輸入阻抗的“實”部隨頻率降低。但通常這個噪聲分量并不重要，因為放大器輸入電容上的電壓噪聲會產(chǎn)生一個大致相同幅度的視在電流噪聲。
5. 內(nèi)部偏置電路電流噪聲處理：在任何FET輸入放大器中，內(nèi)部偏置電路的電流噪聲可以通過柵 - 源電容耦合到外部，表現(xiàn)為輸入電流噪聲。由于這種噪聲在輸入端是完全相關(guān)的，因此匹配源阻抗可以抵消其影響。在處理源電容小于300 pF的情況時，應(yīng)同時平衡輸入電阻和輸入電容。在實際電路中，如何準確地匹配源阻抗和平衡輸入電阻、電容呢？

（二）低噪聲電荷放大器設(shè)計

1. 適用場景：AD743同時具備低電壓和低電流噪聲，使其特別適用于需要非常高電荷靈敏度的應(yīng)用，如電容式加速度計和水聽器。
2. 電荷與電壓、電流的關(guān)系：電荷（Q）與電壓和電流的基本關(guān)系為(Q = C V)和(I = dQ / dt)，電壓、電流和電荷噪聲可以直接相關(guān)。電容上開路電壓的變化（?V）等于電荷變化（?Q/C）和內(nèi)置電荷下電容變化（Q/?C）的組合。
3. 電荷放大器電路設(shè)計
   • 電荷放大器電路模型：圖4所示的電荷放大器電路中，放大基于放大器A1輸入處的電荷守恒原理，即電容(C{s})上的電荷轉(zhuǎn)移到電容(C{F})上，從而得到輸出電壓(Delta Q / C{F})。放大器的輸入電壓噪聲會以電路的噪聲增益（((1 + (C{S} / C_{F})))）放大后出現(xiàn)在輸出端。
   • 高阻抗跟隨器帶增益電路：圖5所示的電路是一個帶增益的高阻抗跟隨器，其噪聲增益（1 + (R1/R2)）與從換能器到輸出的增益相同。在這兩個電路中，都需要電阻(R_{B})作為直流偏置電流回路。
4. 電路噪聲來源及處理
   • 噪聲來源：這些電路中有三個重要的噪聲源。放大器A1和A2貢獻電壓和電流噪聲，電阻(R{B})貢獻電流噪聲，其計算公式為(tilde{N}=sqrt{4 k frac{T}{R{B}} Delta f})，其中(k)為玻爾茲曼常數(shù)，(T)為絕對溫度，(Delta f)為帶寬。這個噪聲必須與放大器自身的電流噪聲進行均方根求和。
   • 噪聲性能優(yōu)化：圖6顯示了在(C{S} / C{F}=R 1 / R 2)的條件下，這兩個電路具有相同的頻率響應(yīng)和噪聲性能。第一個電路的一個特點是使用“T”網(wǎng)絡(luò)來增加(R{B})的有效電阻，并以相同的因子改善低頻截止點。但這不會改變(R{B})的噪聲貢獻，在這個例子中，(R{B})在低頻時占主導(dǎo)地位。圖7展示了如何選擇足夠大的(R{B})以最小化該電阻對整體電路噪聲的貢獻，當(R{B})的等效電流噪聲（(sqrt{4 k T / R})）等于(I{B})的噪聲（(sqrt{2 qI{B}})）時，增大(R{B})的效果會逐漸減小。
   • 源阻抗和電容平衡：為了在溫度變化時最大化直流性能，應(yīng)平衡放大器每個輸入的源電阻，如圖4和圖5中的可選電阻(R{B})所示。同時，為了獲得最佳噪聲性能，還應(yīng)注意平衡源電容(C{B})，圖4中的(C{B})值應(yīng)等于圖5中的(C{s})。當(C{B})值超過300 pF時，對噪聲的影響會逐漸減小，此時電容(C{B})可以簡單地使用0.01 μF或更大的旁路電容。在實際設(shè)計中，如何準確地選擇(R{B})和(C{B})的值呢？

（三）芯片封裝類型和功耗對輸入偏置電流的影響

1. 輸入偏置電流與結(jié)溫的關(guān)系：與所有JFET輸入放大器一樣，AD743的輸入偏置電流是器件結(jié)溫的直接函數(shù)，結(jié)溫每升高10°C，(I{B})大約翻倍。圖8展示了AD743的偏置電流與結(jié)溫之間的關(guān)系，降低結(jié)溫可以顯著改善(I{B})。
2. IC的熱模型分析：IC的直流熱特性可以通過圖9所示的簡單模型近似，其中電流表示功耗，電壓表示溫度，電阻表示熱阻（單位為°C/W）。根據(jù)該模型，(T{J}=T{A}+theta{JA} P{IN})，因此可以通過圖8以及公布的(theta{JA})和功耗數(shù)據(jù)來確定特定應(yīng)用中的(I{B})。用戶可以通過使用合適的夾式散熱器（如Aavid No. 5801）來修改(theta{JA})。在以芯片形式使用AD743時，(theta{JA})也是一個變量。圖10展示了不同(theta{JA})值下偏置電流與電源電壓的關(guān)系，可用于計算(theta{JA})后預(yù)測偏置電流。同樣，偏置電流每10°C翻倍。以芯片形式使用AD743時（圖11），設(shè)計者還需要同時關(guān)注(theta{JC})和(theta{CA})，因為(theta{JC})會受到所使用的管芯安裝技術(shù)類型的影響。通常，(theta{JC})在3°C/W至5°C/W范圍內(nèi)，對于普通封裝，這種小的功耗水平可以忽略不計，但對于大型混合基板，(theta{JC})在總(theta{JA})中所占比例會更大。在實際應(yīng)用中，如何根據(jù)不同的封裝類型和功耗要求來控制結(jié)溫，從而優(yōu)化輸入偏置電流呢？

（四）降低電源電壓以降低(I_{B})

降低電源電壓可以通過兩種方式降低(I_{B})：一是降低總功耗，二是減少基本的柵 - 結(jié)泄漏（如圖10所示）。圖12展示了一個40 dB增益的壓電換能器放大器，該放大器在 - 40°C至 + 85°C溫度范圍內(nèi)無需交流耦合電容即可工作。如果使用可選的耦合電容，該電路可以在整個 - 55°C至 + 125°C的軍事溫度范圍內(nèi)工作。在實際設(shè)計中，如何根據(jù)具體的溫度范圍和性能要求來選擇是否使用耦合電容呢？

（五）輸入阻抗補償?shù)腟allen - Key濾波器設(shè)計

圖13所示的簡單高通濾波器存在一個常被忽視的重要誤差源。即使放大器A的輸入電容只有5 pF，也會導(dǎo)致通帶幅度誤差增加1%，并產(chǎn)生與輸入結(jié)電容的C/V特性成比例的失真。添加標記為Z的網(wǎng)絡(luò)可以平衡放大器A所看到的源阻抗，從而消除這些誤差。在設(shè)計這種濾波器時，如何準確地確定網(wǎng)絡(luò)Z的參數(shù)呢？

（六）高性能加速度計放大器設(shè)計

1. 兩種電路配置：圖14a和圖14b展示了兩種將AD743配置為低噪聲電荷放大器的方式，用于與各種壓電加速度計配合使用。
2. 輸入靈敏度和噪聲增益：這些電路的輸入靈敏度由電容(C1)的值決定，等于(Delta V{OUT }=frac{Delta Q{OUT }}{C 1})。電容(C1)與換能器內(nèi)部電容（(C{T})）的比值決定了電路的噪聲增益（1 + ((1 + C{T} / C 1))），放大器的電壓噪聲會以這個倍數(shù)放大后出現(xiàn)在輸出端。
3. 低頻帶寬：這些電路的低頻帶寬取決于電阻(R1)的值。如果使用“T”網(wǎng)絡(luò)，有效電阻為(R1(1 + R2 / R3))。
4. 直流伺服環(huán)路的應(yīng)用：圖14b中使用直流伺服環(huán)路可以確保直流輸出小于10 mV，在處理高達100 nA的偏置電流時，無需使用大的補償電阻。為了獲得最佳低頻性能，伺服環(huán)路的時間常數(shù)（(R4C2 = R5C3)）應(yīng)滿足(Time Constant geq 10 R1left(1+frac{R2}{R3}right) C1)。在實際設(shè)計加速度計放大器時，如何根據(jù)加速度計的具體參數(shù)來選擇合適的(C1)、(R1)等元件值呢？

（七）低噪聲水聽器放大器設(shè)計

1. 不同電路形式：圖15a和圖15b所示的電路可用于放大典型水聽器的輸出。圖15a是一個典型的直流耦合電路，可選的電阻和電容用于抵消偏置電流流過電阻(R1)產(chǎn)生的直流失調(diào)。圖15b是原始電路的一種變體，其低頻截止由RC時間常數(shù)決定，公式為(Time Constant =frac{1}{2 pi × C{C} × 100 Omega})，直流增益為1，高于低頻截止頻率（(1 /(2 pi C{C}(100 Omega)))）的增益與圖15a所示電路相同。圖15c使用直流伺服環(huán)路將直流輸出保持在0 V，并在(I{B})高達100 nA時保持全動態(tài)范圍。(R7)和(C2)的時間常數(shù)應(yīng)大于(R1)和(C{T})的時間常數(shù)，以實現(xiàn)平滑的低頻響應(yīng)。
2. 低噪聲處理：所示換能器的源電容為7500 pF。對于較小的換能器電容（≤300 pF），可以通過在AD743的反相輸入端串聯(lián)一個并聯(lián)RC網(wǎng)絡(luò)（(R4 = R1)，(C1 = C_{T})）來實現(xiàn)最低噪聲。在設(shè)計水聽器放大器時，如何根據(jù)水聽器的輸出特性來選擇合適的電路形式和元件參數(shù)呢？

（八）平衡源阻抗

平衡AD743輸入端所看到的源阻抗（包括電阻和電抗）是一種良好的設(shè)計實踐。平衡電阻分量可以在溫度變化時優(yōu)化直流性能，因為平衡可以減輕任何偏置電流誤差的影響。平衡輸入電容可以最小化由于放大器輸入電容引起的交流響應(yīng)誤差，并且如圖16所示，噪聲性能也會得到優(yōu)化。圖17展示了非反相（A）和反相（B）配置所需的外部元件。在實際電路設(shè)計中，如何準確地平衡源阻抗，以達到最佳的性能呢？

五、總結(jié)

AD743作為一款高性能的超低噪聲BiFET運算放大器，具有出色的噪聲性能、DC性能和AC性能，適用于多種對精度和噪聲要求較高的應(yīng)用領(lǐng)域。在設(shè)計使用AD743的電路時，需要充分考慮其特性和各種設(shè)計要點，如低噪聲電路設(shè)計、芯片封裝和功耗對輸入偏置電流的影響、不同應(yīng)用電路的設(shè)計等，以實現(xiàn)最佳的電路性能。同時，我們在設(shè)計過程中也需要不斷思考和優(yōu)化，根據(jù)具體的應(yīng)用場景和要求來調(diào)整電路參數(shù)，從而充分發(fā)揮AD743的優(yōu)勢。希望本文能為電子工程師們在使用AD743進行電路設(shè)計時提供一些有益的參考。