超低噪聲BiFET運(yùn)算放大器AD743：特性、應(yīng)用與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在電子工程師的日常設(shè)計(jì)工作中，選擇合適的運(yùn)算放大器是實(shí)現(xiàn)高性能電路的關(guān)鍵。今天，我們來(lái)深入探討一款性能卓越的超低噪聲BiFET運(yùn)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(yùn)算放大器。它結(jié)合了雙極型輸入運(yùn)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(diǎn)。并且，當(dāng)超過(guò)負(fù)共模電壓限制時(shí)，AD743不會(huì)出現(xiàn)輸出相位反轉(zhuǎn)的情況，這在一些對(duì)信號(hào)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(shí)，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(duì)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(hào)放大等。
2. 電流噪聲：在1 kHz時(shí)，電流噪聲為(6.9 fA / sqrt{Hz})。低電流噪聲對(duì)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(hào)放大時(shí)，輸出信號(hào)的誤差較小，能夠更準(zhǔn)確地反映輸入信號(hào)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(kāi)環(huán)增益：最小開(kāi)環(huán)增益為1000 V/mV，高的開(kāi)環(huán)增益使得運(yùn)算放大器在閉環(huán)應(yīng)用中能夠更精確地實(shí)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(yùn)算放大器能夠處理的最大信號(hào)變化率，對(duì)于快速變化的信號(hào)，較高的壓擺率可以保證信號(hào)的不失真放大。
2. 單位增益帶寬：?jiǎn)挝辉鲆鎺挒?.5 MHz，這表示在該帶寬范圍內(nèi)，運(yùn)算放大器的增益為1，能夠滿足一定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)放大需求。
3. 總諧波失真：在1 kHz時(shí)，總諧波失真為(0.0003 %)，低的總諧波失真說(shuō)明輸出信號(hào)的失真度較小，能夠更好地還原輸入信號(hào)。

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(hào)需要經(jīng)過(guò)前置放大才能進(jìn)行后續(xù)處理。AD743的超低噪聲性能可以有效提高聲納信號(hào)的信噪比，從而增強(qiáng)聲納系統(tǒng)的探測(cè)能力。那么，在實(shí)際聲納系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，如何根據(jù)具體的聲納信號(hào)特點(diǎn)來(lái)優(yōu)化AD743的電路參數(shù)呢？這是我們需要進(jìn)一步思考的問(wèn)題。

（二）高動(dòng)態(tài)范圍濾波器（> 140 dB）

對(duì)于需要處理寬動(dòng)態(tài)范圍信號(hào)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(hào)強(qiáng)度下都能穩(wěn)定工作，實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)處理。當(dāng)設(shè)計(jì)這類濾波器時(shí)，怎樣選擇合適的外圍元件與AD743配合，以達(dá)到最佳的濾波效果呢？

（三）光電二極管和紅外探測(cè)器放大器

光電二極管和紅外探測(cè)器輸出的信號(hào)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(hào)進(jìn)行有效放大，同時(shí)減少噪聲干擾。在實(shí)際應(yīng)用中，如何處理探測(cè)器與AD743之間的接口問(wèn)題，以提高系統(tǒng)的整體性能呢？

（四）加速度計(jì)

加速度計(jì)輸出的信號(hào)對(duì)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(jì)信號(hào)放大的需求，確保加速度測(cè)量的準(zhǔn)確性。在加速度計(jì)電路設(shè)計(jì)中，如何考慮溫度變化對(duì)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(jì)要點(diǎn)

（一）低噪聲電路設(shè)計(jì)

1. 噪聲區(qū)域特性：運(yùn)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(gè)區(qū)域。AD743在這兩個(gè)區(qū)域都表現(xiàn)出色，在10 kHz時(shí)的(2.9 nV / sqrt{Hz})噪聲水平對(duì)于JFET輸入放大器來(lái)說(shuō)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(jī)氣流會(huì)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(shí)際設(shè)計(jì)中，可以采用金屬屏蔽罩來(lái)減少氣流對(duì)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(duì)溫度低也能從兩個(gè)方面減少低頻噪聲。一是低頻噪聲強(qiáng)烈依賴于環(huán)境溫度，在高于 +25°C 時(shí)會(huì)增加；二是IC封裝到環(huán)境的溫度梯度越大，隨機(jī)氣流產(chǎn)生的噪聲幅度也會(huì)越大?？梢酝ㄟ^(guò)降低電源電壓和使用合適的夾式散熱器來(lái)降低芯片溫度。在選擇散熱器時(shí)，需要考慮哪些因素才能達(dá)到最佳的散熱效果呢？
3. 低頻電流噪聲計(jì)算：低頻電流噪聲可以通過(guò)公式(tilde{I}{n}=sqrt{2 q I{B} Delta f})計(jì)算，在低于約100 Hz時(shí)，其功率譜密度以1/f方式增加。對(duì)于AD743，在1 kHz時(shí)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(jì)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(dāng)于一個(gè)(3.45 ×10^{8} Omega)的源電阻。
4. 高頻電流噪聲特性：在高頻時(shí)，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(shí)”部隨頻率降低。但通常這個(gè)噪聲分量并不重要，因?yàn)榉糯笃鬏斎?a href="http://www.brongaenegriffin.com/tags/電容/" target="_blank">電容上的電壓噪聲會(huì)產(chǎn)生一個(gè)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(guò)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(shí)，應(yīng)同時(shí)平衡輸入電阻和輸入電容。在實(shí)際電路中，如何準(zhǔn)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(jì)

1. 適用場(chǎng)景：AD743同時(shí)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(jì)和水聽(tīng)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(kāi)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(jì)
   • 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(huì)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(gè)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(gè)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(lái)源及處理
   • 噪聲來(lái)源：這些電路中有三個(gè)重要的噪聲源。放大器A1和A2貢獻(xiàn)電壓和電流噪聲，電阻(R{B})貢獻(xiàn)電流噪聲，其計(jì)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(duì)溫度，(Delta f)為帶寬。這個(gè)噪聲必須與放大器自身的電流噪聲進(jìn)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(gè)電路具有相同的頻率響應(yīng)和噪聲性能。第一個(gè)電路的一個(gè)特點(diǎn)是使用“T”網(wǎng)絡(luò)來(lái)增加(R{B})的有效電阻，并以相同的因子改善低頻截止點(diǎn)。但這不會(huì)改變(R{B})的噪聲貢獻(xiàn)，在這個(gè)例子中，(R{B})在低頻時(shí)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(duì)整體電路噪聲的貢獻(xiàn)，當(dāng)(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(shí)，增大(R{B})的效果會(huì)逐漸減小。
   • 源阻抗和電容平衡：為了在溫度變化時(shí)最大化直流性能，應(yīng)平衡放大器每個(gè)輸入的源電阻，如圖4和圖5中的可選電阻(R{B})所示。同時(shí)，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(dāng)(C{B})值超過(guò)300 pF時(shí)，對(duì)噪聲的影響會(huì)逐漸減小，此時(shí)電容(C{B})可以簡(jiǎn)單地使用0.01 μF或更大的旁路電容。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，如何準(zhǔn)確地選擇(R{B})和(C{B})的值呢？

（三）芯片封裝類型和功耗對(duì)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(guò)圖9所示的簡(jiǎn)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(guò)圖8以及公布的(theta{JA})和功耗數(shù)據(jù)來(lái)確定特定應(yīng)用中的(I{B})。用戶可以通過(guò)使用合適的夾式散熱器（如Aavid No. 5801）來(lái)修改(theta{JA})。在以芯片形式使用AD743時(shí)，(theta{JA})也是一個(gè)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(jì)算(theta{JA})后預(yù)測(cè)偏置電流。同樣，偏置電流每10°C翻倍。以芯片形式使用AD743時(shí)（圖11），設(shè)計(jì)者還需要同時(shí)關(guān)注(theta{JC})和(theta{CA})，因?yàn)?theta{JC})會(huì)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(duì)于普通封裝，這種小的功耗水平可以忽略不計(jì)，但對(duì)于大型混合基板，(theta{JC})在總(theta{JA})中所占比例會(huì)更大。在實(shí)際應(yīng)用中，如何根據(jù)不同的封裝類型和功耗要求來(lái)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(guò)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(gè)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(wú)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(gè) - 55°C至 + 125°C的軍事溫度范圍內(nèi)工作。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，如何根據(jù)具體的溫度范圍和性能要求來(lái)選擇是否使用耦合電容呢？

（五）輸入阻抗補(bǔ)償?shù)腟allen - Key濾波器設(shè)計(jì)

圖13所示的簡(jiǎn)單高通濾波器存在一個(gè)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(huì)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(biāo)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(jì)這種濾波器時(shí)，如何準(zhǔn)確地確定網(wǎng)絡(luò)Z的參數(shù)呢？

（六）高性能加速度計(jì)放大器設(shè)計(jì)

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(jì)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(huì)以這個(gè)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(dá)100 nA的偏置電流時(shí)，無(wú)需使用大的補(bǔ)償電阻。為了獲得最佳低頻性能，伺服環(huán)路的時(shí)間常數(shù)（(R4C2 = R5C3)）應(yīng)滿足(Time Constant geq 10 R1left(1+frac{R2}{R3}right) C1)。在實(shí)際設(shè)計(jì)加速度計(jì)放大器時(shí)，如何根據(jù)加速度計(jì)的具體參數(shù)來(lái)選擇合適的(C1)、(R1)等元件值呢？

（七）低噪聲水聽(tīng)器放大器設(shè)計(jì)

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(tīng)器的輸出。圖15a是一個(gè)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(guò)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(shí)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(dá)100 nA時(shí)保持全動(dòng)態(tài)范圍。(R7)和(C2)的時(shí)間常數(shù)應(yīng)大于(R1)和(C{T})的時(shí)間常數(shù)，以實(shí)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(duì)于較小的換能器電容（≤300 pF），可以通過(guò)在AD743的反相輸入端串聯(lián)一個(gè)并聯(lián)RC網(wǎng)絡(luò)（(R4 = R1)，(C1 = C_{T})）來(lái)實(shí)現(xiàn)最低噪聲。在設(shè)計(jì)水聽(tīng)器放大器時(shí)，如何根據(jù)水聽(tīng)器的輸出特性來(lái)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(jì)實(shí)踐。平衡電阻分量可以在溫度變化時(shí)優(yōu)化直流性能，因?yàn)槠胶饪梢詼p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(huì)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(shí)際電路設(shè)計(jì)中，如何準(zhǔn)確地平衡源阻抗，以達(dá)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(yùn)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(duì)精度和噪聲要求較高的應(yīng)用領(lǐng)域。在設(shè)計(jì)使用AD743的電路時(shí)，需要充分考慮其特性和各種設(shè)計(jì)要點(diǎn)，如低噪聲電路設(shè)計(jì)、芯片封裝和功耗對(duì)輸入偏置電流的影響、不同應(yīng)用電路的設(shè)計(jì)等，以實(shí)現(xiàn)最佳的電路性能。同時(shí)，我們?cè)谠O(shè)計(jì)過(guò)程中也需要不斷思考和優(yōu)化，根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景和要求來(lái)調(diào)整電路參數(shù)，從而充分發(fā)揮AD743的優(yōu)勢(shì)。希望本文能為電子工程師們?cè)谑褂肁D743進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)提供一些有益的參考。