低功耗350 MHz電壓反饋放大器AD8038/AD8039的全面解析

在電子工程領(lǐng)域，高性能、低功耗的放大器一直是大家追求的目標(biāo)。今天，我們就來深入探討Analog Devices公司推出的兩款優(yōu)秀放大器——AD8038和AD8039，看看它們能為我們的設(shè)計(jì)帶來哪些驚喜。

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一、產(chǎn)品概述

AD8038為單放大器，AD8039為雙放大器，它們都屬于高速（350 MHz）電壓反饋放大器。其典型靜態(tài)電流僅為1.0 mA/放大器（最大1.5 mA），這種低功耗特性在許多對功耗敏感的應(yīng)用中具有很大的優(yōu)勢。并且，AD8038的8引腳SOIC封裝還具備禁用功能，方便在不同場景下靈活控制。兩款放大器的工作溫度范圍為 -40°C至 +85°C，能夠適應(yīng)較為惡劣的工業(yè)環(huán)境。

二、產(chǎn)品特性

1. 高性能

• 高速：擁有350 MHz的 -3 dB帶寬（G=+1）以及425 V/μs的壓擺率，能夠滿足許多高速信號處理的需求。例如在處理高頻信號時(shí)，可以快速準(zhǔn)確地進(jìn)行放大，減少信號失真。
• 低噪聲：在100 kHz時(shí)，電壓噪聲為8 nV/√Hz，電流噪聲為600 fA/√Hz，為信號的精確放大提供了保障。對于一些對噪聲要求較高的應(yīng)用，如精密儀器測量等，能夠有效減少噪聲干擾，提高測量精度。
• 低失真：在1 MHz時(shí)，無雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）為 -90 dB；在5 MHz時(shí)，SFDR為 -65 dB，確保了信號在放大過程中的高質(zhì)量。這對于音頻、視頻等信號處理尤為重要，能讓信號更加純凈，還原度更高。

  2. 其他優(yōu)勢

• 寬供電范圍：可在3 V至12 V的電源電壓范圍內(nèi)工作，適應(yīng)不同的電源系統(tǒng)，增加了設(shè)計(jì)的靈活性。比如在電池供電的設(shè)備中，能夠根據(jù)電池電壓的變化進(jìn)行穩(wěn)定工作。
• 小封裝：提供8引腳SOT - 23、5引腳SC70和8引腳SOIC等多種小封裝形式，節(jié)省電路板空間，適合小型化設(shè)備的設(shè)計(jì)。

3. 小封裝的優(yōu)勢

AD8038和AD8039提供的8引腳SOT - 23、5引腳SC70和8引腳SOIC等小封裝形式，在實(shí)際設(shè)計(jì)中有著諸多優(yōu)勢。在小型化設(shè)備設(shè)計(jì)的趨勢下，小封裝能夠極大地節(jié)省電路板空間。例如在可穿戴設(shè)備中，空間非常有限，小封裝的放大器可以讓電路板布局更加緊湊，為其他元件留出空間。而且，小封裝還能減少元件之間的連線長度，降低信號傳輸過程中的干擾和損耗，提高整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能。

三、電氣參數(shù)

1. 動(dòng)態(tài)性能**

• 帶寬：在不同增益條件下，帶寬表現(xiàn)有所不同。當(dāng)G=+1且Vo = 0.5Vp - p時(shí)，-3 dB帶寬可達(dá)350 MHz；當(dāng)G=+2且Vo = 0.5Vp - p時(shí)，帶寬為175 MHz。這意味著在不同的增益要求下，放大器能夠提供相應(yīng)的帶寬支持，滿足多樣化的信號處理需求。
• 壓擺率：高達(dá)425 V/μs，能夠快速響應(yīng)輸入信號的變化，對于快速變化的信號，如脈沖信號等，能夠迅速進(jìn)行放大，避免信號失真。
• 過載恢復(fù)時(shí)間和建立時(shí)間：過載恢復(fù)時(shí)間和建立時(shí)間分別為50 ns和18 ns，確保了放大器在受到過載干擾后能夠快速恢復(fù)正常工作，并且能夠在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定的輸出。

  2. 直流性能

• 輸入失調(diào)電壓：最大為3 mV，輸入失調(diào)電壓漂移為4.5 mV/°C。較小的輸入失調(diào)電壓可以減少放大器在直流信號放大時(shí)的誤差，提高放大精度。
• 輸入偏置電流：最大為750 nA，輸入偏置電流漂移為3 nA/°C。低輸入偏置電流可以減少對輸入信號的影響，保證信號的準(zhǔn)確性。

  3. 輸入輸出特性

• 輸入電阻和電容：輸入電阻為10 MΩ，輸入電容為2 pF。合適的輸入電阻和電容可以確保放大器與前級電路的良好匹配，減少信號反射和失真。
• 輸入共模電壓范圍：從任一電源軌起為1 V，輸出能夠擺動(dòng)到距離每個(gè)電源軌1 V以內(nèi)。這使得放大器能夠適應(yīng)較寬的輸入電壓范圍，并且在輸出端提供較大的電壓擺動(dòng)幅度。
• 共模抑制比（CMRR）：為67 dB，能夠有效抑制共模信號的干擾，提高放大器對差模信號的放大能力。

  4. 電源特性

• 工作電源范圍：3 V至12 V，可靈活選擇不同的電源電壓進(jìn)行供電。
• 靜態(tài)電流：每放大器典型值為1.0 mA，最大值為1.5 mA，低靜態(tài)電流有助于降低功耗，延長電池供電設(shè)備的續(xù)航時(shí)間。
• 電源抑制比（PSRR）：負(fù)電源為 -71 dB，正電源為 -64 dB，能夠有效抑制電源電壓波動(dòng)對放大器輸出的影響。

四、絕對最大額定值

• 電源電壓：最大為12.6 V，在設(shè)計(jì)電源電路時(shí)，必須確保電源電壓不超過這個(gè)值，否則可能會(huì)對放大器造成永久性損壞。
• 功耗：其安全最大功耗受結(jié)溫上升限制，當(dāng)結(jié)溫達(dá)到150°C（玻璃化轉(zhuǎn)變溫度）時(shí)，塑料封裝的性能會(huì)發(fā)生變化；長時(shí)間超過175°C則可能導(dǎo)致硅器件性能改變，甚至造成故障?？梢酝ㄟ^公式 (T{J}=T{A}+（P{D} × theta{JA}）)計(jì)算結(jié)溫，其中(T{A})為環(huán)境溫度，(P{D})為總功耗，(theta_{JA})為熱阻。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，要合理考慮散熱問題，確保放大器在安全的溫度范圍內(nèi)工作。
• 其他參數(shù)：共模輸入電壓為±V S，差分輸入電壓為±4 V，存儲(chǔ)溫度范圍為 -65°C至 +125°C，工作溫度范圍為 -40°C至 +85°C，引腳焊接溫度（10秒）為300°C 。這些參數(shù)為放大器的使用提供了明確的限制，在實(shí)際應(yīng)用中必須嚴(yán)格遵守。

五、典型性能特性**

1. 頻率響應(yīng)

不同增益、輸出電壓幅度、負(fù)載電阻、電源電壓和電容負(fù)載等因素都會(huì)對放大器的頻率響應(yīng)產(chǎn)生影響。例如，在不同增益下（如G = +1、+2、+5、+10），增益 - 頻率曲線呈現(xiàn)出不同的特性；負(fù)載電阻大小（如500Ω、1 kΩ、2 kΩ）也會(huì)改變頻率響應(yīng)的形狀。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇這些參數(shù)，以獲得理想的頻率響應(yīng)。

2. 諧波失真

諧波失真與負(fù)載電阻、增益和頻率等因素有關(guān)。在不同的負(fù)載電阻和增益條件下，隨著頻率的變化，諧波失真的程度也會(huì)不同。在對信號質(zhì)量要求較高的應(yīng)用中，如音頻系統(tǒng)，需要盡量降低諧波失真，確保信號的純凈度。

3. 噪聲特性

輸入電壓噪聲和輸入電流噪聲隨頻率變化而變化。在低頻段和高頻段，噪聲特性可能會(huì)有所不同，在設(shè)計(jì)電路時(shí)，需要考慮噪聲對信號的影響，特別是在對噪聲敏感的應(yīng)用中，如微弱信號檢測。

3. 噪聲特性及影響

輸入電壓噪聲和輸入電流噪聲隨頻率變化而變化。在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中，放大器的噪聲特性會(huì)對整個(gè)系統(tǒng)的性能產(chǎn)生重要影響。在低頻段，噪聲可能主要來源于放大器內(nèi)部的器件噪聲，如電阻的熱噪聲等；而在高頻段，可能會(huì)受到外部電磁干擾等因素的影響。對于對噪聲敏感的應(yīng)用，如微弱信號檢測，即使是微小的噪聲也可能掩蓋有用信號，導(dǎo)致檢測結(jié)果不準(zhǔn)確。因此，在設(shè)計(jì)電路時(shí)，需要根據(jù)具體的應(yīng)用場景，采取相應(yīng)的措施來降低噪聲影響，比如選擇低噪聲的放大器、優(yōu)化電路板布局以減少電磁干擾等。

六、布局、接地和旁路注意事項(xiàng)

1. 禁用功能

AD8038的8引腳SOIC封裝具有禁用功能，當(dāng)DISABLE節(jié)點(diǎn)的電壓低于正電源軌4.5 V時(shí)，放大器被禁用，此時(shí)輸入與輸出斷開，靜態(tài)電流從典型的1 mA降低到0.2 mA；要啟用放大器，需將DISABLE節(jié)點(diǎn)電壓拉高至((V_{s}-2.5)) V以上。這一功能可以在不需要放大器工作時(shí)，有效降低功耗，延長電池使用壽命。

2. 電源旁路

電源引腳需要提供無噪聲、穩(wěn)定的直流電壓。旁路電容的作用是在所有頻率下為電源到地提供低阻抗路徑，從而分流或過濾大部分噪聲。建議使用0.01 μF或0.001 μF（X7R或NPO）的片式電容，并將其盡可能靠近放大器封裝放置；較大的0.1 μF電容可在同一信號路徑中的幾個(gè)緊密排列的有源元件之間共享；對于10 μF鉭電容，在大多數(shù)情況下，每塊電路板的電源輸入端只需一個(gè)即可。合理的電源旁路設(shè)計(jì)能夠提高放大器的穩(wěn)定性，減少電源噪聲對信號的干擾。

3. 接地

在高密度PCB板中，接地平面層對于分散電流、降低寄生電感非常重要。高頻旁路電容引腳的長度至關(guān)重要，因?yàn)榕月方拥刂械募纳姼袝?huì)抵消旁路電容產(chǎn)生的低阻抗。負(fù)載阻抗的接地應(yīng)與旁路電容的接地位于同一物理位置，以減少高頻電流在電感接地回路中產(chǎn)生的不必要電壓噪聲。對于低頻有效、較大值的電容，電流返回路徑的距離相對不那么關(guān)鍵。良好的接地設(shè)計(jì)可以提高電路的抗干擾能力，保證放大器的正常工作。

4. 輸入電容

高速放大器對輸入與地之間的寄生電容較為敏感，幾皮法的電容就可能降低輸入阻抗，增加放大器增益，導(dǎo)致頻率響應(yīng)出現(xiàn)峰值，甚至引發(fā)振蕩。因此，連接到輸入引腳的外部無源元件應(yīng)盡量靠近輸入引腳放置，并且電路板各層的接地和電源平面與輸入引腳的距離應(yīng)至少保持0.05 mm。這樣可以減少寄生電容的影響，提高放大器的穩(wěn)定性。

5. 輸出電容

輸出端的寄生電容可能會(huì)導(dǎo)致頻率響應(yīng)出現(xiàn)峰值。為了減小這種影響，可以采取兩種方法：一是在輸出端串聯(lián)一個(gè)小阻值電阻，將負(fù)載電容與放大器輸出級隔離開來；二是通過提高噪聲增益來增加相位裕度，或者在 -IN與輸出之間添加一個(gè)并聯(lián)的電阻和電容來引入一個(gè)極點(diǎn)。這些措施可以優(yōu)化放大器的輸出特性，提高信號質(zhì)量。

6. 輸入 - 輸出耦合

輸入和輸出信號走線應(yīng)避免平行，以減少輸入與輸出之間的電容耦合，防止出現(xiàn)正反饋現(xiàn)象。正反饋可能會(huì)導(dǎo)致放大器工作不穩(wěn)定，甚至產(chǎn)生自激振蕩，因此在電路板布局時(shí)，要合理安排輸入和輸出信號的走線，確保放大器的穩(wěn)定性。

七、應(yīng)用信息

1. 低功耗ADC驅(qū)動(dòng)

AD9203是一款低功耗（5 V電源下為125 mW）、40 MSPS的10位轉(zhuǎn)換器，AD8039非常適合作為其驅(qū)動(dòng)放大器。在低電源電壓應(yīng)用中，采用差分模擬輸入可以增加ADC輸入的動(dòng)態(tài)范圍，同時(shí)減少二次和其他偶次失真產(chǎn)物。在驅(qū)動(dòng)AD9203的電路中，一個(gè)運(yùn)放配置為反相模式，另一個(gè)配置為同相模式，且每個(gè)運(yùn)放的噪聲增益都為 +2，以實(shí)現(xiàn)更好的帶寬匹配。通過將ADC的2.5 V參考輸出經(jīng)兩個(gè)1 kΩ電阻分壓后得到的1.25 V電壓施加到每個(gè)運(yùn)放的正輸入端，使運(yùn)放輸出中心電壓為2.5 V，即ADC的電源中點(diǎn)電壓。這樣的設(shè)計(jì)可以確保ADC獲得穩(wěn)定、高質(zhì)量的輸入信號，提高轉(zhuǎn)換精度。

2. 低功耗有源視頻濾波器

一些數(shù)字源產(chǎn)生的復(fù)合視頻信號可能包含時(shí)鐘饋通，影響圖像質(zhì)量。傳統(tǒng)的有源濾波器每個(gè)通道功耗為25 mW至30 mW，在對功耗敏感的應(yīng)用中可能過高，而無源濾波器在驅(qū)動(dòng)較大負(fù)載時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)阻抗匹配問題。AD8038可以用于制作低通有源濾波器，其功耗僅為傳統(tǒng)有源濾波器的五分之一。例如，使用AD8038和 ±2.5 V電源構(gòu)建的三極點(diǎn)Sallen - Key濾波器，在6 MHz時(shí)響應(yīng)下降3 dB，能夠通過視頻頻段且衰減較小；在27 MHz時(shí)，抑制比為45 dB，可有效抑制該頻率的時(shí)鐘分量。這種低功耗的有源視頻濾波器在對功耗和圖像質(zhì)量都有要求的應(yīng)用中具有很大的優(yōu)勢。

八、總結(jié)

AD8038和AD8039放大器以其低功耗、高速、低噪聲、低失真等優(yōu)異特性，以及寬供電范圍和小封裝等優(yōu)勢，在電池供電儀器、濾波器、A/D驅(qū)動(dòng)、電平轉(zhuǎn)換、緩沖和光電倍增器等眾多應(yīng)用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們需要充分考慮其電氣參數(shù)、絕對最大額定值、布局和接地等注意事項(xiàng)，根據(jù)具體的應(yīng)用需求合理選擇和使用這兩款放大器，以實(shí)現(xiàn)最佳的設(shè)計(jì)效果。大家在使用過程中有沒有遇到過一些特別的問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。