AD745是一款超低噪声/高速/FET输入运算放大器

2020-7-10 15:51:22 3478 运算放大器低噪声

0 　　特征　　超低噪声性能；10 kHz时为2.9 nV/： Hz；0.38伏p-p，0.1赫兹至10赫兹；6.9 1 kHz时的fA/： Hz电流噪声；卓越的交流性能；12.5伏/秒转换率；20兆赫增益带宽产品；THD=0.0002%@1千赫；内部补偿收益+5（或-4）或更大的优异的直流性能；最大偏移电压0.5 mV；250帕最大输入偏置电流；2000 V/mV最小开环增益；可根据EIA-481A标准。　　应用　　声纳；光电二极管和红外探测器放大器；加速度计；低噪声前置放大器；高性能音频。　　产品描述　　AD745是一款超低噪声、高速、FET输入运算放大器。它提供了超低电压噪声和高速通常与双极输入运算放大器和非常低的输入电流场效应管输入器件。其20兆赫带宽和12.5伏/微秒的转换速率使AD745成为要求低噪声和高直流精度的高速应用的理想放大器。此外，AD745不显示输出相位反转。　　AD745还具有卓越的直流性能，最大输入偏置电流为250帕，最大偏置电压为0.5毫伏。　　AD745的内部补偿为更高的增益进行了优化，提供了更高的带宽和更快的转换速率。这使得AD745作为一个前置放大器特别有用，其中低电平信号需要一个在这些高增益下同时提供高放大和宽带宽的放大器。　　AD745有两个性能等级。AD745J和AD745K的额定温度在0°C至70°C的商业温度范围内，可在16引线SOIC封装中使用。　　　　AD745–典型性能特征（@+25 C，VS= 15 V，除非另有说明。）　　　　运算放大器性能JFET与双极性　　AD745提供低输入电压噪声的工业标准双极运算放大器没有其固有的输入电流误差。如图3所示，它比较了OP37和AD745 opamps的输入电压噪声和输入源电阻。从这个数字可以清楚地看出，在高源阻抗下，AD745的低电流噪声也提供了较低的总噪声。同样重要的是要注意，使用AD745，这种噪声降低一直延伸到低源阻抗。AD745较低的直流电流误差也减少了由于高源阻抗下的偏移和漂移引起的误差（图4）。　　AD745的内部补偿为更高的增益进行了优化，提供了更高的带宽和更快的转换速率。这使得AD745作为一个前置放大器特别有用，其中低电平信号需要一个在这些高增益下同时提供高放大和宽带宽的放大器。　　　　低噪声电路设计　　opamp的输入电压噪声性能通常分为两个区域：宽带噪声和低频噪声。AD745在这两方面都提供了出色的性能。2.9nv/Hz@10khz的数字对于JFET输入放大器来说是非常好的。　　0.1赫兹至10赫兹的噪声通常为0.38微伏p-p。用户应注意几个设计细节，以优化低频噪声性能。随机气流会产生不同的热电偶电压，这些电压看起来像是低频噪声。因此，敏感电路应能很好地屏蔽气流。保持芯片绝对温度较低还可以通过两种方式降低低频噪声：第一，低频噪声强烈依赖于环境温度，并增加到25°C以上；第二，由于从IC封装到环境的温度梯度较大，如前所述，由随机气流产生的噪声将在数量上更大。如果可能的话，芯片温度可以通过降低电源电压和使用合适的卡夹式散热器来降低。　　低频电流噪声可以通过直流偏置电流的大小来计算：　　　　并以1/f功率谱密度增加到约100hz以下。对于AD745，在1kHz时，电流噪声的典型值为6.9fa/√。使用公式：　　　　要计算电阻的约翰逊噪声（用电流表示），可以看到AD745的电流噪声相当于3.45的电流噪声× 108 Ω源电阻。　　在高频下，场效应管的电流噪声与频率成正比地增加。这种噪声是由于栅极输入阻抗的“真实”部分，随着频率的降低而减小。这个噪声分量通常不重要，因为放大器的电压噪声对其输入电容的影响是一个大小大致相同的表观电流噪声。　　在任何场效应管输入放大器中，内部偏置电路的电流噪声可以通过栅极到源电容进行外部耦合，并显示为输入电流噪声。这种噪声在输入端是完全相关的，所以源阻抗匹配会抵消它的影响。当处理的源电容值小于300 pF时，输入电阻和输入电容都应平衡。　　低噪声电荷放大器　　如前所述，AD745提供低电压和低电流噪声。这种组合使得这种装置特别适合于需要非常高电荷灵敏度的应用，如电容式加速度计和水听器。在处理高源电容时，将总输入电荷不确定度作为系统噪声的一种测量方法是有用的。　　电荷（Q）与电压和电流通过简单陈述的基本关系而相关：　　　　如图所示，电压、电流和电荷噪声都可以直接相关。电容器上开路电压的变化（∏V）等于电荷变化（∏Q/C）和电容与内置电荷的变化（Q/∏C）的组合。　　图5和图6显示了缓冲和放大电荷输出传感器输出的两种方法。两者都需要使用具有很高输入阻抗的放大器，如AD745。图5显示了电荷放大器电路的模型。这里，放大取决于放大器A1输入处的电荷守恒原理，该原理要求将电容器CS上的电荷转移到电容器CF，从而产生∏Q/CF的输出电压。放大器的输入电压噪声将出现在由电路的噪声增益（1+（CS/CF））放大的输出处。　　　　第二个电路，图6，是一个简单的高阻抗跟随增益。这里噪声增益（1+（R1/R2））与从传感器到输出的增益相同。两个电路中的电阻器RB都需要作为直流偏置电流回路。　　这些电路中有三个重要的噪声源。放大器A1和A2同时产生电压和电流噪声，而电阻器RB产生以下电流噪声：　　　　式中：k=玻尔兹曼常数=1.381×10–23焦耳/开尔文，T=绝对温度，开尔文（0°C=273.2开尔文），Δf=带宽-单位为赫兹（假设是理想的“砖墙”过滤器）。　　这必须是与放大器自身电流噪声的平方根和。　　图5显示这两个电路具有相同的频率响应和相同的噪声性能（前提是CS/CF=R1/R2）。第一种电路的一个特点是采用“T”网络，使RB的有效电阻增大，低频截止点提高了相同的因数。　　　　然而，这并不改变RB的噪声贡献，在本例中，RB在低频时占主导地位。图8的图表显示了如何选择一个足够大的RB，以最小化该电阻对整个电路噪声的贡献。当RB的等效电流噪声等于的噪声时，使RB增大有递减的收益。　　　　为了最大限度地提高温度下的直流性能，应在放大器的每个输入端平衡源电阻。这由图5和图6中的可选电阻器RB表示。如前所述，为了获得最佳噪声性能，还应注意平衡由CB指定的源电容，图5中CB的值将等于图6中的CS。当CB值超过300 pF时，对噪声的影响减小；电容器CB可以简单地是0.01μF或更大的聚酯薄膜旁路电容器。　　芯片封装类型和功耗对输入偏置电流的影响　　与所有JFET输入放大器一样，AD745的输入偏置电流是器件结温的直接函数，IB大约每10°C加倍一次。图9显示了AD745的偏置电流和结温之间的关系。此图显示降低结温将显著提高IB。　　　　通过使用图10的简单模型，可以非常接近集成电路的直流热特性，其中电流表示功耗，电压表示温度，电阻表示热阻（θ单位°C/watt）。　　　　从这个模型TJ=TA+θPIN。因此，可以在特定应用中通过使用图9以及发布的θ和功耗数据来确定IB。用户可以通过使用适当的夹式散热器（例如Aavid 5801）来修改θ。图11显示了以θ为第三变量的偏置电流与电源电压的关系。该图可用于计算θ后的偏置电流预测。同样，每10°C的偏置电流将加倍。　　　　降低IB的供电操作　　降低电源操作可通过两种方式降低IB：第一，降低总功耗，第二，降低基本门到结泄漏（图11）。图13显示了一个40分贝增益的压电换能器放大器，它在-40°C到+85°C的温度范围内工作，没有交流耦合电容。如果可选的耦合电容器，使用C1时，该电路将在整个-55°C至+125°C温度范围内工作。　　　　两个高性能加速度计放大器　　最流行的两种充电传感器是水听器和加速计。精密加速计通常校准为电荷输出（pC/g）。图14和图15显示了将AD745配置为低噪声电荷放大器的两种方法，用于各种压电加速计。这些电路的输入灵敏度由电容器C1的值确定，等于：　　　　电容器C1与传感器内部电容（CT）的比值决定了该电路（1+CT/C1）的噪声增益。放大器的电压噪声将出现在其输出放大了这个数量。这些电路的低频带宽将取决于电阻R1的值。如果使用“T”网络，则有效值为：R1（1+R2/R3）。　　pC=微微库仑g=地球引力常数。　　　　直流伺服回路（图15）可用于确保直流输出《10 mV，在处理高达100 nA的偏置电流时不需要大的补偿电阻。为了获得最佳的低频性能，伺服回路的时间常数（R4C2=R5C3）应为：　　　　一种低噪声水听器放大器　　水听器通常在电压输出模式下校准。图16的电路可用于放大典型水听器的输出。如果使用可选的交流耦合电容器CC，则电路将具有由等于以下值的RC时间常数确定的低频截止：　　　　其中，直流增益为1，并且高于低频截止（1/（2πCC（100Ω））的增益等于（1+R2/R3）。图17的电路使用一个直流伺服回路将直流输出保持在0V，并保持IB高达100Na的全动态范围。为了获得平稳的低频响应，R7和C1的时间常数应大于R1和CT的时间常数。　　　　所示传感器的源电容为7500 pF。对于较小的传感器电容（≤300 pF），通过与AD745的反向输入串联添加并联RC网络（R4=R1，C1=CT）可以实现最低噪声。　　　　I-TO-V转换器的设计考虑　　在设计I-V转换器时，有一些简单的经验法则，其中有重要的源电容（如光电二极管）和带宽需要优化。考虑图18的电路。高频噪声增益（1+CS/CL）通常大于5，因此AD745具有更高的转换速率和带宽，非常适合这种应用。　　这里，可以利用AD745的低电流和低电压噪声，因为在某些情况下，期望具有大的RF（这增加了对输入电流噪声的灵敏度），同时，在高噪声增益下操作放大器。　　　　在该电路中，RF-CS时间常数限制了获得平坦响应的实际带宽，事实上：　　　　式中：fB=信号带宽，fC=放大器的增益带宽积。　　当CL≈1/（2πRF-CS）时，网络响应可以调整为提供具有最佳平坦度的两极系统，角频率为fB。电容器CL调节电路响应的阻尼。请注意，带宽和灵敏度通过选择射频直接相互抵消。例如，当电容器CL≈4.5 pF时，CS=300 pF和RF=100 kΩ的光电二极管将具有360 kHz的最大带宽。相反，如果只需要100 kHz的带宽，则RF的最大值为360 kΩ，而电容器CL的最大值仍约为4.5 pF。　　在任一情况下，AD745提供阻抗变换，有效的跨导电阻，即i/V转换增益，可随进一步增益而增大。在此应用中，建议使用诸如AD829之类的宽带低噪声放大器。　　此原理也可用于将AD745应用于高性能音频应用中。图19显示，高性能DAC的I-V转换器（这里是AD1862）可以设计为利用AD745的低电压噪声（2.9nv/Hz）以及失代偿提供的高转换速率和带宽。该电路在728khz下具有12db/倍频程的衰减，通带纹波小于0.001 dB，在20khz时相位偏差小于2度。　　　　该电路的一个重要特点是，高频能量（如时钟馈通）通过高质量电容器而不是放大器的输出级分流到公共端，大大减少了放大器输入端的误差信号以及随后的互调失真机会。　　　　平衡源阻抗　　如前所述，如AD745的输入所示，平衡源阻抗（电阻和无功）是一种良好的做法。平衡电阻元件将优化温度下的直流性能，因为平衡将减轻任何偏置电流误差的影响。平衡输入电容将使放大器输入电容引起的交流响应误差最小化，如图20所示，噪声性能将得到优化。图21显示了非旋转（A）和反转（B）配置所需的外部组件。　　　　外形尺寸　　尺寸单位为英寸和（mm）。　　 0
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