探索MAX4238/MAX4239：超低失調(diào)/漂移、低噪聲精密放大器的卓越性能

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，放大器是至關(guān)重要的基礎(chǔ)元件。而今天我們要深入探討的MAX4238/MAX4239，作為超低失調(diào)/漂移、低噪聲的精密SOT23放大器，憑借其出色的性能在眾多應(yīng)用場(chǎng)景中脫穎而出。

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一、器件概述

MAX4238/MAX4239是低噪聲、低漂移、超高精度的放大器，通過采用專利自相關(guān)歸零技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了近乎零直流失調(diào)和漂移。該技術(shù)能夠持續(xù)測(cè)量并補(bǔ)償輸入失調(diào)，消除了隨時(shí)間和溫度變化產(chǎn)生的漂移以及1/f噪聲的影響。這兩款器件均具備軌到軌輸出能力，可在2.7V至5.5V的單電源下工作，僅消耗600μA電流，并且在激活低功耗關(guān)斷模式時(shí)，電源電流可降至0.1μA。

其中，MAX4238是單位增益穩(wěn)定放大器，增益帶寬積為1MHz；而經(jīng)過去補(bǔ)償?shù)腗AX4239在增益 (A_{V} ≥10 ~V / V) 時(shí)穩(wěn)定，增益帶寬積為6.5MHz。它們提供8引腳窄體SO、6引腳TDFN和SOT23封裝，方便不同的設(shè)計(jì)需求。

自相關(guān)歸零技術(shù)在放大器中具有顯著的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。它能夠持續(xù)測(cè)量并補(bǔ)償輸入失調(diào)，有效消除隨時(shí)間和溫度變化產(chǎn)生的漂移以及1/f噪聲的影響。這種技術(shù)使得放大器能夠?qū)崿F(xiàn)近乎零直流失調(diào)和漂移，為高精度的信號(hào)處理提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

二、性能特點(diǎn)

（一）卓越的直流性能

這兩款放大器具有超低的失調(diào)電壓，典型值僅為0.1μV，在+25°C時(shí)最大為2.0μV，在 -40°C至 +85°C 范圍最大為2.5μV，在 -40°C至 +125°C 范圍最大為3.5μV。同時(shí)，其漂移僅為10nV/°C，在DC至10Hz范圍內(nèi)噪聲低至1.5μVP - P。此外，還具備150dB的AVOL、140dB的PSRR和140dB的CMRR，以及高增益帶寬積（MAX4238為1MHz，MAX4239為6.5MHz），并且支持地感應(yīng)輸入和軌到軌輸出（ (R_{L}=1 k Omega) ）。這些特性使得它們非常適合用于高精度傳感器接口。

在傳感器接口的設(shè)計(jì)中，放大器的低失調(diào)電壓和低漂移特性起著至關(guān)重要的作用。從搜索到的資料來看，在霍爾效應(yīng)傳感器、雙極運(yùn)放等多種應(yīng)用場(chǎng)景中，失調(diào)電壓和漂移問題都會(huì)影響傳感器的測(cè)量精度和可靠性。

（二）低功耗優(yōu)勢(shì)

它們采用單2.7V至5.5V的電源電壓范圍，正常工作時(shí)的電源電流僅為600μA，進(jìn)入關(guān)機(jī)模式后，電源電流可降低至0.1μA。這種低功耗的設(shè)計(jì)能夠有效降低系統(tǒng)的整體功耗，延長(zhǎng)設(shè)備的續(xù)航時(shí)間，對(duì)于一些對(duì)功耗要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景，如便攜式設(shè)備等，具有很大的優(yōu)勢(shì)。

（三）封裝多樣

MAX4238/MAX4239提供了8引腳窄SO、6引腳TDFN和SOT23等多種封裝形式。不同的封裝適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景和設(shè)計(jì)需求，工程師可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行靈活選擇。例如，SOT23封裝體積小巧，適合對(duì)空間要求較高的應(yīng)用；而SO封裝則具有較好的散熱性能和電氣性能，適用于對(duì)性能要求較高的場(chǎng)合。

搜索結(jié)果顯示，常見的放大器封裝形式包括DIP雙列直插式、QFP塑料方型扁平式、PFP塑料扁平組件式、PGA插針網(wǎng)格陣列、BGA球柵陣列等。不同的封裝形式具有不同的特點(diǎn)和適用場(chǎng)景。DIP適合在PCB上穿孔焊接，操作方便，但芯片面積與封裝面積比值大，體積也較大；QFP和PFP適用于SMD表面安裝技術(shù)在PCB電路板上安裝布線，適合高頻使用，操作方便且可靠性高，芯片面積與封裝面積之間的比值較?。籔GA插拔操作更方便，可靠性高，可適應(yīng)更高的頻率；BGA則成為了高密度、高性能、多引腳封裝的最佳選擇。

三、電氣特性與性能表現(xiàn)

（一）輸入特性

• 低失調(diào)電壓：在常溫（+25°C）下，典型輸入失調(diào)電壓僅為0.1μV，最大不超過2μV；在-40°C至+85°C的溫度范圍內(nèi)，最大輸入失調(diào)電壓為2.5μV；在-40°C至+125°C的寬溫度范圍內(nèi)，最大輸入失調(diào)電壓也僅為3.5μV。這種極低的失調(diào)電壓能夠有效減少信號(hào)處理過程中的誤差，提高系統(tǒng)的測(cè)量精度。
• 低偏置電流：輸入偏置電流典型值僅為1pA，輸入失調(diào)電流典型值為2pA。低偏置電流可以降低對(duì)輸入信號(hào)源的負(fù)載影響，減小信號(hào)失真。
• 低噪聲特性：從直流到10Hz的峰 - 峰值輸入噪聲電壓僅為1.5μVP - P，在1kHz時(shí)的輸入電壓噪聲密度為30nV/√Hz。低噪聲特性使得MAX4238/MAX4239在處理微弱信號(hào)時(shí)能夠保持較高的信噪比，確保信號(hào)的質(zhì)量。

（二）增益與帶寬

MAX4238是單位增益穩(wěn)定的放大器，增益帶寬積（GBWP）為1MHz；而MAX4239經(jīng)過去補(bǔ)償處理，增益帶寬積達(dá)到6.5MHz，且在增益 (A_{V} ≥10 ~V / V) 時(shí)保持穩(wěn)定。不同的增益帶寬積可以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)信號(hào)處理速度和帶寬的要求。

（三）輸出特性

兩款放大器均具有軌到軌輸出能力，在負(fù)載電阻 (R_{L}=1 k Omega) 時(shí)，能夠提供接近電源電壓的輸出擺幅。此外，輸出短路電流可達(dá)40mA，輸出泄漏電流在關(guān)機(jī)模式下很小，這些特性保證了放大器在不同負(fù)載條件下的穩(wěn)定輸出。

（四）其他特性

• 電源相關(guān)特性：電源電壓范圍為2.7V至5.5V，在正常工作時(shí)（SHDN = VCC ，無負(fù)載，VCC = 5.5V），電源電流僅為600μA；關(guān)機(jī)模式下（SHDN = GND，VCC = 5.5V），電源電流可降至0.1μA。這種低功耗特性非常適合應(yīng)用于對(duì)功耗要求較高的便攜式設(shè)備中。
• 共模抑制比（CMRR）和電源抑制比（PSRR）：CMRR和PSRR在常溫下都能達(dá)到140dB，在-40°C至+85°C的溫度范圍內(nèi)，CMRR不低于115dB，PSRR不低于120dB。高CMRR和PSRR能夠有效抑制共模信號(hào)和電源波動(dòng)對(duì)輸出信號(hào)的影響，提高放大器的抗干擾能力。

搜索到的資料中提到，帶寬增益積（GBP）是用來簡(jiǎn)單衡量放大器性能的一個(gè)參數(shù)，表示增益和帶寬的乘積，按照放大器的定義，這個(gè)乘積是一定的。在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)信號(hào)的頻率較高時(shí)，為了保證信號(hào)能夠正常通過放大器，就需要降低放大器的增益；反之，當(dāng)需要高增益時(shí)，放大器能夠處理的信號(hào)帶寬就會(huì)變窄。MAX4238/MAX4239不同的增益帶寬積為不同的應(yīng)用場(chǎng)景提供了更多選擇。大家在實(shí)際設(shè)計(jì)中，有沒有遇到過因?yàn)樵鲆鎺挿e不合適而導(dǎo)致信號(hào)失真的情況呢？

四、工作原理與關(guān)鍵特性實(shí)現(xiàn)

（一）自動(dòng)歸零技術(shù)

MAX4238/MAX4239采用了專利的自動(dòng)歸零技術(shù)，通過不斷地采樣和補(bǔ)償放大器的輸入失調(diào)電壓，實(shí)現(xiàn)了接近零的直流失調(diào)和極低的失調(diào)漂移。這種技術(shù)能夠有效消除長(zhǎng)時(shí)間和溫度變化引起的失調(diào)漂移，以及1/f噪聲的影響。其偽隨機(jī)時(shí)鐘頻率在10kHz至15kHz之間變化，減少了斬波穩(wěn)定放大器中存在的互調(diào)失真。

（二）失調(diào)誤差源的處理

• 采樣電容的穩(wěn)定問題：采樣電容的穩(wěn)定是影響失調(diào)電壓的一個(gè)重要因素。Maxim采用了專利設(shè)計(jì)技術(shù)，避免采樣電容上的電壓發(fā)生大幅度變化，從而減少了采樣電容穩(wěn)定時(shí)間帶來的誤差。這種誤差與輸入源阻抗和外部增益設(shè)置電阻的大小無關(guān)。
• 開關(guān)電荷注入問題：開關(guān)的電荷注入會(huì)在放大器輸入處產(chǎn)生電流尖峰，與放大器輸入阻抗結(jié)合后會(huì)導(dǎo)致輸入失調(diào)電壓。為了減小這種影響，可以通過減小增益設(shè)置電阻和輸入源阻抗的大小來實(shí)現(xiàn)。此外，在反饋電阻上并聯(lián)一個(gè)電容，可以限制放大器的閉環(huán)帶寬，從而減少時(shí)鐘信號(hào)對(duì)輸出的饋通。

（三）1/f噪聲的處理

1/f噪聲是所有半導(dǎo)體器件固有的噪聲，與頻率成反比，在低頻時(shí)對(duì)放大器噪聲的影響較大。MAX4238/MAX4239將1/f噪聲視為緩慢變化的失調(diào)誤差，通過自動(dòng)歸零技術(shù)從本質(zhì)上消除了1/f噪聲的影響，保證了在低頻信號(hào)處理時(shí)的高精度。

（四）輸出過載恢復(fù)

自動(dòng)歸零放大器在輸出過載后通常需要較長(zhǎng)的時(shí)間才能恢復(fù)正常工作。這是因?yàn)榱阄环糯笃餍枰欢ǖ臅r(shí)間來將主放大器的輸出校正到有效范圍內(nèi)。而MAX4238/MAX4239在輸出過載后僅需3.3ms即可恢復(fù)，這一特性使得它們?cè)谔幚砜赡艹霈F(xiàn)過載的信號(hào)時(shí)具有更好的性能。

（五）關(guān)機(jī)模式

MAX4238/MAX4239具有低功耗的關(guān)機(jī)模式，當(dāng)SHDN引腳被拉低時(shí)，時(shí)鐘停止工作，放大器輸出進(jìn)入高阻抗?fàn)顟B(tài)，此時(shí)電源電流僅為0.1μA。在正常工作時(shí)，只需將SHDN引腳連接到VCC即可。這種關(guān)機(jī)模式可以在不需要放大器工作時(shí)顯著降低功耗，延長(zhǎng)設(shè)備的續(xù)航時(shí)間。

五、應(yīng)用場(chǎng)景與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（一）應(yīng)用場(chǎng)景

• 傳感器接口：MAX4238/MAX4239極低的失調(diào)電壓、低漂移和低噪聲特性使其非常適合作為各種高精度傳感器的接口放大器，如熱電偶、應(yīng)變計(jì)、電子秤等。這些傳感器通常輸出的信號(hào)非常微弱，需要高精度的放大器來對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大和處理，以保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。
• 醫(yī)療儀器：在醫(yī)療儀器領(lǐng)域，對(duì)信號(hào)處理的精度和可靠性要求極高。MAX4238/MAX4239能夠滿足這些要求，可用于心電圖機(jī)、血糖儀、血壓計(jì)等醫(yī)療設(shè)備中，對(duì)生物電信號(hào)、生理參數(shù)信號(hào)等進(jìn)行精確放大和處理。
• 汽車電子：部分型號(hào)的MAX4238/MAX4239經(jīng)過AEC - Q100認(rèn)證，適用于汽車電子領(lǐng)域。在汽車的傳感器系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)等場(chǎng)合，需要放大器能夠在較寬的溫度范圍和復(fù)雜的電磁環(huán)境下穩(wěn)定工作，MAX4238/MAX4239的高穩(wěn)定性和抗干擾能力能夠滿足這些需求。
• ADC緩沖放大器：由于其低失調(diào)、快速建立時(shí)間和1/f噪聲消除能力，MAX4238/MAX4239是ADC緩沖放大器的理想選擇。在一些低速、高精度的ADC應(yīng)用中，如應(yīng)變計(jì)測(cè)量系統(tǒng)，使用MAX4238/MAX4239作為緩沖放大器可以提高ADC的采樣精度和系統(tǒng)的整體性能。

（二）設(shè)計(jì)要點(diǎn)

• 增益配置：MAX4238是單位增益穩(wěn)定的放大器，增益帶寬積為1MHz；MAX4239則是去補(bǔ)償?shù)模谠鲆?(A{V} ≥10 ~V / V) 時(shí)穩(wěn)定，增益帶寬積為6.5MHz。與傳統(tǒng)運(yùn)算放大器不同的是，它們有最大增益限制。為了保證放大器的穩(wěn)定性，MAX4238的增益應(yīng)設(shè)置在 (A{V}=1V/V) 至1000V/V之間，MAX4239的增益應(yīng)設(shè)置在 (A_{V}=10V/V) 至6700V/V之間。
• 誤差預(yù)算：在將MAX4238/MAX4239用作ADC緩沖放大器時(shí)，需要考慮溫度漂移對(duì)輸入信號(hào)的影響。例如，典型的失調(diào)漂移為10nV/°C，在10°C的溫度變化范圍內(nèi)，漂移量為100nV。在一個(gè)16位的系統(tǒng)中，將這個(gè)漂移量設(shè)置為1/2LSB，可得到滿量程范圍為13mV。在單2.7V電源供電時(shí)，選擇合適的閉環(huán)增益 (A_{V}=200) 可以在保證足夠增益的同時(shí)，為信號(hào)處理留出一定的余量。

六、總結(jié)與展望

總的來說，MAX4238/MAX4239作為低噪聲、低漂移、超高精度的放大器，憑借其出色的電氣特性、獨(dú)特的工作原理和廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，在高精度信號(hào)處理領(lǐng)域展現(xiàn)出了強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)力。其自動(dòng)歸零技術(shù)、對(duì)失調(diào)誤差和噪聲的有效處理，以及快速的輸出過載恢復(fù)能力，都為工程師們?cè)谠O(shè)計(jì)高精度電路時(shí)提供了可靠的選擇。

在未來，隨著科技的不斷發(fā)展，對(duì)高精度信號(hào)處理的需求將會(huì)越來越高。我們可以期待MAX4238/MAX4239以及類似的放大器產(chǎn)品在性能上進(jìn)一步提升，例如更低的噪聲、更小的失調(diào)電壓和漂移、更高的增益帶寬積等。同時(shí)，在封裝形式上也可能會(huì)更加多樣化，以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。

作為電子工程師，我們?cè)谑褂肕AX4238/MAX4239時(shí)，要充分了解其特性和工作原理，根據(jù)具體的應(yīng)用需求進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)和選型。大家在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)MAX4238/MAX4239還有哪些其他的體會(huì)或疑問呢？歡迎在評(píng)論區(qū)留言交流。