CBFET運(yùn)放AD843及其在阻抗匹配電路中的應(yīng)用

介紹了CBFET（互補(bǔ)雙極型場效應(yīng)管）運(yùn)算放大器AD843的主要功能特點(diǎn)及其在阻抗匹配電路中的應(yīng)用。并通過幾種阻抗匹配電路的比較說明了該芯片的獨(dú)特性和優(yōu)越性,最后給出了AD843的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例。

??? 關(guān)鍵詞：CBFET 運(yùn)算放大器 阻抗匹配 AD843

在電路設(shè)計(jì)中的許多情況下需要進(jìn)行阻抗匹配變換,以適應(yīng)各種芯片或元件間的匹配。傳統(tǒng)的阻抗匹配由分立器件組成,因而電路干擾大、調(diào)試麻煩、開發(fā)周期長并且維護(hù)困難。而一些運(yùn)放集成芯片由于本身在結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)局限（如頻帶寬度,輸入偏置電路等）,遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足較寬頻帶和精確匹配的要求。CBFEY（互補(bǔ)雙級型場效應(yīng)管）運(yùn)算放大器AD843卻能以其獨(dú)特的CBEFT設(shè)計(jì)來滿足較精確應(yīng)用的場合。本文簡單介紹了AD843的特性,并結(jié)合筆者的體會以及對幾種阻抗匹配電路的比較,產(chǎn)明了由AD843的組成阻抗匹配電路優(yōu)越性。最后給出了AD843在筆者虛擬示波器硬件設(shè)計(jì)中的一個(gè)實(shí)際應(yīng)用電路。

AD843除可用于阻抗匹配電路外,還可用于高速采樣保持放大器、高速帶寬有源濾波器、高速積分器以及高速信號調(diào)節(jié)器等電路。

AD843的主要特點(diǎn)如下：

●AD843具有高轉(zhuǎn)換率、快速建立時(shí)間和低輸入偏置電流等特性,這使得它在12位D/A和A/D緩沖器高速采樣-保持放大器、高速積分器電路等應(yīng)用方面成為一種理想的放大器;

●獨(dú)特的互補(bǔ)雙極型場效應(yīng)管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)使得AD843具有高輸入阻抗和低輸出阻抗的特點(diǎn)。因而AD843可以代替許多場效應(yīng)管（EFT）的輸入混合放大器,例如LH0032,LH4104和OPA600;

●采用完全差動輸入方式,這使其在標(biāo)準(zhǔn)的高頻運(yùn)算放大器應(yīng)用中（如高速帶寬有源濾波器、高頻信號等）調(diào)節(jié)起著顯著的作用;

●采有內(nèi)部激光晶片微調(diào)技術(shù),從而使AD843的輸入補(bǔ)償電壓可低于1mV;

●可利用AD843的1腳和腳8進(jìn)行外部調(diào)零;

●AD843閉環(huán)運(yùn)行時(shí)不需要外部補(bǔ)償。

1 引腳功能及特性參數(shù)

1.1 引腳功能

CBFEF運(yùn)算放大器AD843采用8腳DIP封裝形式,圖1是其引腳排列圖,各引腳的功能如下：

1腳（BALANCE）：外部調(diào)零端;

2腳（-INPUT）：反相輸入端;

3腳（+INPUT）：同相輸入端;

4腳（-Vs）：負(fù)電源端;

5腳（NO CONNECT）：空腳;

6腳（OUTPUT）：輸出端;

7腳（+Vs）：正電源端;

8腳（BALANCE）：調(diào)零端。

1.2 特性參數(shù)

AD843在±5V供電情況下的交流及直流特性參數(shù)發(fā)下：

●交流特性：

單位增益帶寬：34MHz;

快速建立時(shí)間：135ns;

轉(zhuǎn)換速率：250V/μs;

全功率帶寬：3.9MHz;

上升時(shí)間：10ns;

輸入電容：6pF。

●直流特性：

輸入失調(diào)電壓：最大1mV;

輸入偏置電流：典型值0.6nA;

輸入電壓噪聲：19nV/(Hz)1/2;

開環(huán)增益：接500Ω負(fù)載時(shí)為30V/mV;

輸出電流：最小500mA;

饋電電流：最大13mA;

輸入電阻：10 10Ω;

輸出電阻：12Ω。

2 應(yīng)用設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)際電路要求

圖2是筆者設(shè)計(jì)的一個(gè)虛擬示波器硬件系統(tǒng)的前端模擬部分框圖。其中采集工作由探筆完成,它的輸入端電阻一般在1MΩ以上,不同比例的衰減電路由分立原件組成。增益調(diào)節(jié)由可調(diào)增益運(yùn)放AD603完成。而AD603的輸入端電阻為100Ω左右,因此信號的輸出電阻應(yīng)遠(yuǎn)小于100Ω,否則電壓分壓將過大。這樣,就要求阻抗變換部分的輸出電阻要小,因此為了防止探頭所采集的信號衰減過多,阻抗變換部分的輸入電阻應(yīng)在1MΩ左右或更大。而且要求信號帶寬應(yīng)在10MHz以上。同時(shí)要求該阻抗變換對信號不能衰減,即具有可壓跟隨器的作用。并且還要求阻抗變換結(jié)構(gòu)簡單,便于調(diào)試。

2.2 分立元件組成的阻抗匹配電路

為了找到一種合適的阻抗匹配電路,筆者對幾種阻抗匹配電路進(jìn)行了調(diào)試和比較,其中分別包括分立器件和集成芯片所構(gòu)成的電路。

應(yīng)用分立器件的原因是其價(jià)格低廉,為此筆者設(shè)計(jì)了源極輸出器,它的特點(diǎn)是輸入電阻高,而電壓放大倍數(shù)小于且接近于1。

通過實(shí)驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)：分立元器組成的源極輸出器除具上述優(yōu)點(diǎn)外,同時(shí)也存在著以下幾點(diǎn)不足：

（1）該源極輸出器輸出的波形很小。

（2）靜態(tài)工作難以設(shè)置,致使信號負(fù)半周期不能完全輸出。

（3）由于極間電容和導(dǎo)線的電容影響而導(dǎo)致頻帶變窄。

鑒于上述缺點(diǎn),筆者設(shè)計(jì)了如圖3所示的偏移電路,該電路采用孿生FET以降低零漂。由于采用恒流源作源極負(fù)載,因而增益更趨近于1,且直流工作狀態(tài)極為穩(wěn)定。

但是通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),該電路還有以下缺點(diǎn)：

（1）找兩個(gè)N溝道結(jié)型場效應(yīng)管特性十分對稱的管子不太容易。

（2）由于極間電容和導(dǎo)線電容的影響,加之源負(fù)載的各極間存在的固有電容,致使帶寬變窄。

傳統(tǒng)的模擬示波器的阻抗匹配電路一般均采取上述兩種方式,也可以在源極跟器后設(shè)置射極跟隨器或用差分放大等方式來解決上述缺點(diǎn),但所需用的器件太多,結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

2.3 集成芯片構(gòu)成的阻抗匹配電路

集成電路芯片由于其集成度高、干擾小、性能良好、所占空間小,因此筆者根據(jù)輸入阻抗高、輸出阻抗低、頻帶寬的要求,選取了低功耗運(yùn)放AD828。

圖4為AD8228的引腳排列,由其組成的阻抗匹配電路如圖5所示。

圖5中,D1、D2為限壓二極管,R1為1MΩ的電阻,運(yùn)放AD828接成電壓跟隨器形式,通過實(shí)驗(yàn)觀察：該電路在頻帶寬度方面能夠滿足要求。然而,它還是存在著以下幾點(diǎn)不足：

（1）輸入開路時(shí),AD828輸入端3腳有一1.0V的電壓,從而導(dǎo)致輸出端1腳不能為零。而調(diào)計(jì)要求是：無論輸入零電位還是輸入開路,輸出端都應(yīng)為零電位。

（2）若減小R1的阻值,AD828輸入端的電壓也將減小。這說明AD828輸入端3腳存在灌電路。

（3）由于灌電流的影響,系統(tǒng)中不同比例衰減電路的不同分壓電阻將在AD828的輸入端3腳產(chǎn)生不同的電壓,從而造成輸出端1腳的電壓誤差,且不易消除。

由于上述電路均不能滿足設(shè)計(jì)要求。因此筆者選用了AD843芯片并采用了如圖5所示的、與AD828相同的電路來進(jìn)行阻抗匹配。經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)：當(dāng)輸入電壓±1V的范圍內(nèi)時(shí),其頻帶在20MHz左右,可以滿足頻帶要求。并且具有輸入阻抗高、輸出阻抗低的特點(diǎn),從而達(dá)到了系統(tǒng)阻抗匹配電路的要求。

2.4 AD843組成的具體電路

我們知道,示波器所顯示的波形可以上下移動和放大縮小。圖6是一個(gè)虛擬示波器硬件系統(tǒng)前端模擬部分的具體電路。圖中,μP741,AD603兩個(gè)芯片用來完成示波器的上下移動和放大縮小。芯片AD843在這里不僅起阻抗變換的作用,而且承擔(dān)著和μP741一起來完成示波器所顯示的波形的上下移動的任務(wù)。波形放大縮小的粗調(diào)由不同比例的衰減電路完成,波形放大縮小的細(xì)調(diào)則由AD603。

3 注意事項(xiàng)

（1）同多數(shù)高帶寬放大器一樣,AD843易受負(fù)載電路的影響,尤其是在用作電壓跟隨器時(shí),負(fù)載電容在小于20pF時(shí)對AD843的額定性能影響不大。但在負(fù)載電容較大時(shí)對AD843影響就不能忽視了。如階越響應(yīng)的尖峰情況。這時(shí)應(yīng)當(dāng)用電阻或電阻、電容的組合來構(gòu)成反饋進(jìn)行調(diào)節(jié)。

(2)AD843的靜態(tài)功耗要比許多高速運(yùn)放低,因而不需要散熱器。但是如果負(fù)載電阻過低,那么流過負(fù)載的電路會增大,從而導(dǎo)致明顯的溫度上升,使輸入偏置電流增高。這時(shí)可加一個(gè)小散熱器。

（3）AD843電路的導(dǎo)線連接應(yīng)盡可能短,提供低電抗、低電感的電路通道以減少高頻時(shí)的耦合。

（4）集成電路插座應(yīng)盡量避免,因?yàn)樗鼈冇锌赡茉黾泳€間電容而降低帶寬。

（5）AD843的電源端應(yīng)加2.2μF和0.1μF的兩個(gè)并聯(lián)電容以使供電穩(wěn)定。

4 結(jié)束語

通過幾種阻抗變換的電路比較,以及在虛擬示波器硬件系統(tǒng)前端模擬部分的實(shí)際應(yīng)用,筆者認(rèn)為：AD843在完成阻抗變換方面優(yōu)勢明顯,完全能夠符合設(shè)計(jì)的需要?？纱蟠鬁p輕調(diào)試的工作量和干擾帶來的麻煩,是一種應(yīng)用十分廣泛的新型芯片。