運(yùn)算放大器常見問題解答

雙電源供電的放大器能否用于單電源配置？如何防止過壓？如何解釋放大器的負(fù)載電流規(guī)格？使用高阻抗源的噪聲考慮因素是什么？哪種電阻值可用于低噪聲應(yīng)用？單電源使用時(shí)的輸出擺幅放大器的容性負(fù)載驅(qū)動(dòng)

1.雙電源供電的放大器能否用于單電源配置？

Q：我在PLL設(shè)計(jì)中使用+12/-5V電源運(yùn)行此元件[AD8610]。現(xiàn)在我發(fā)現(xiàn)使用+12和0V也運(yùn)行得很好（不管規(guī)格是什么）。我需要一些有關(guān)我這樣使用此元件可能會(huì)遇到的問題。（規(guī)格為最小+5/-5V）

A：運(yùn)算放大器沒有接地端子。可以由對(duì)稱或不對(duì)稱雙電源供電，也可由單電源供電。

就電源工作范圍而言，+12/-5V的供電電壓類似于+17/0V或+8.5/-8.5V。因此，+12/-5V供電在AD8610的工作電壓范圍內(nèi)。AD8610是JFET輸入運(yùn)算放大器，這意味著它不是軌到軌輸入。由于輸出也不是軌到軌，因此請(qǐng)密切留意數(shù)據(jù)手冊(cè)(www.analog.com/AD8610)“電氣規(guī)格”部分中，表2(Vs=+/-13V)的輸入和輸出電壓范圍規(guī)格。

請(qǐng)記住，輸入電壓范圍和輸出電壓范圍的規(guī)格作為絕對(duì)電壓列出，但對(duì)于+12/-5V的供電而言，需要類比+/-13V供電，保留電軌余量（2.25至2.5V）。

此外，參考電平從地電壓移動(dòng)到供電電壓范圍的中心。因此，對(duì)于+12V/-5V的供電電壓，參考電平上升到+3.5V，而對(duì)稱雙電源（如+/-5V或+/-13V）為0V。

有關(guān)輸入電壓范圍、單電源操作或軌到軌問題的更多詳細(xì)信息，也請(qǐng)參閱www.analog.com/MT-035和www.analog.com/MT-041。

2.如何防止過壓？

Q：對(duì)于如AD8646這樣的運(yùn)算放大器，如何防止過壓？

A：通常，建議您在任何可能超過絕對(duì)最大額定值的輸入端添加外部肖特基二極管和限流電阻。請(qǐng)注意，二極管需要安裝在AD8646的附近。理想情況下，您的系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)為確保AD8646在施加任何模擬或數(shù)字信號(hào)之前能充分上電。下面概括了一些關(guān)于過壓的一般注意事項(xiàng)。

任何其他半導(dǎo)體IC都有基本的ESD保護(hù)二極管，用來保護(hù)器件免遭搬運(yùn)和生產(chǎn)過程中可能造成的ESD損害。如果輸入隨時(shí)可能超過電源，設(shè)計(jì)人員應(yīng)提供外部保護(hù)電路。

這些ESD二極管可保護(hù)IC免受高達(dá)約1.5kV的ESD影響。這些ESD保護(hù)二極管的作用是將任何引腳上的電壓箝位在與電源電壓相差0.5V的范圍內(nèi)。（所以問題解決了，對(duì)吧？不完全是。）ESD保護(hù)二極管雖然能承載相當(dāng)高的電流，但只能維持很短的時(shí)間，因此可以保護(hù)IC免受持續(xù)時(shí)間較短的大脈沖影響（總能量仍然相當(dāng)?shù)停?。這些保護(hù)二極管能承受的最大直流電流為10mA。因此，除非您可以保證流入引腳的電流小于10mA，否則就需要某種外部保護(hù)。外部保護(hù)可以是在輸入引腳上串聯(lián)限流電阻這樣的簡單設(shè)計(jì)。例如，如果施加到引腳上的最大過壓為5V，則在每條線路上串聯(lián)一個(gè)500Ω電阻可將電流限制在10mA以下。此串聯(lián)電阻設(shè)置得越高越好。

然而，IO線路中的高串聯(lián)電阻可能導(dǎo)致其他問題，例如緘緩高速信號(hào)的上升和下降時(shí)間。防止更高的過壓的同時(shí)又不想再增加串聯(lián)電阻，該怎么做呢？可以在每個(gè)輸入端和供電之間添加外部肖特基二極管來做到這一點(diǎn)。肖特基二極管會(huì)將施加的電壓箝位在電源的~0.3V范圍內(nèi)，因此大部分電流將通過外部二極管（可承載更高的電流）分流，而不通過內(nèi)部ESD保護(hù)二極管。其他保護(hù)技術(shù)包括使用火花隙、接地大電容、小扼流圈電感等。防止過壓和ESD的最佳結(jié)構(gòu)之一是一個(gè)小串聯(lián)電阻，后面是連接到電源的肖特基二極管，再后面是另一個(gè)小串聯(lián)電阻。

您可以看到，設(shè)計(jì)合適的保護(hù)電路并非輕而易舉。您需要決定所需的保護(hù)程度、系統(tǒng)可承受的受損程度、所允許的電路板空間和元件成本，以及需要達(dá)到的測(cè)試水平。

有關(guān)過壓保護(hù)的更多信息，請(qǐng)查看ADI公司網(wǎng)站上的應(yīng)用筆記AN-202和AN-397。

3.如何解釋放大器的負(fù)載電流規(guī)格？

Q：我的問題是關(guān)于放大器的負(fù)載電流。

這個(gè)值的確切含義是什么？在數(shù)據(jù)手冊(cè)中，有時(shí)給出的是+-10mA，有時(shí)僅為10mA。

此負(fù)載電流是指放大器可以提供的最大輸出電流嗎？比如說，我的放大器在輸出端為+-4Vp。如果數(shù)據(jù)手冊(cè)中給出+-10mA負(fù)載電流，我是否僅可以在4V/10mA = 400 Ω的最小負(fù)載時(shí)使用？我說的對(duì)嗎？

A：放大器通常具有短路保護(hù)，可限制流出輸出端的電流。通常在短路情況下會(huì)這樣操作，以防止損壞放大器。但是，這并非是嚴(yán)格控制的參數(shù)，且未經(jīng)生產(chǎn)測(cè)試。它隨溫度變化而變化，有時(shí)也因低電壓供電軌而異，放大器甚至可能由于低供電電壓的內(nèi)部限制，而無法提供這種電流電平。不管規(guī)格中是否有+/-，都是一樣的。但是，這并不意味著兩個(gè)極性的實(shí)際限值會(huì)一樣。沒有一個(gè)輸出級(jí)是完全對(duì)稱的，但是由于它不是一個(gè)精確的數(shù)字，因此沒有那么重要。

您指出放大器的最小負(fù)載將根據(jù)您的計(jì)算給出，這點(diǎn)是正確的，但僅應(yīng)將其作為指導(dǎo)。對(duì)最小負(fù)載保持合理的裕量是良好的做法（出于上述所有原因）。此外，不要忘記，如果您使用的是帶反饋的運(yùn)算放大器（如同相放大器），則反饋電阻也是負(fù)載的一部分。還要謹(jǐn)記，在更重的負(fù)載時(shí)，放大器將產(chǎn)生更大的功耗，從而提高芯片溫度。在您舉的例子中，4V輸出端為10mA是指，如果您使用15V為放大器供電，則放大器額外消耗11V*10mA = 110mW，這會(huì)使溫度（如果是SOIC）上升約15℃。這不是大問題，但會(huì)限制放大器的工作溫度范圍，并且也可能增加與輸入有關(guān)的偏置。然而，有些放大器可能具有更大的電流驅(qū)動(dòng)能力，因此，如果加載至限值，功耗會(huì)大得多。

4.使用高阻抗源的噪聲考慮因素是什么？

Q：使用具有高阻抗源的ADA4661-2/ADA4666-2時(shí)的噪聲考慮因素是什么？

A：ADA4661-2/ADA4666-2在10KHz時(shí)具有14nV/√Hz的低電壓噪聲密度。在放大器輸入端放置一個(gè)熱噪聲為12.6nV/√Hz的10K?電阻，會(huì)使折合到輸入端的總噪聲增加到18.9nV/rtHz。使用較低的源電阻時(shí)，放大器電壓噪聲將占主導(dǎo)地位。電阻熱噪聲隨著源電阻的提高而增加。當(dāng)源電阻進(jìn)一步提高時(shí)(>1M?)，電流噪聲占總噪聲的大部分。

5.哪種電阻值可用于低噪聲應(yīng)用？

Q：放大器ADA4528-x周圍應(yīng)使用哪些電阻值？

A：ADA4528-x具有5.6nV/√Hz的低電壓噪聲密度。在放大器輸入端放置一個(gè)熱噪聲為4nV/√Hz的1K?電阻，會(huì)使折合到輸入端的總噪聲增加到6.9nV/√Hz。請(qǐng)務(wù)必在低噪聲放大器周圍使用低值電阻。使用低源電阻，放大器電壓噪聲將占主導(dǎo)地位。電阻熱噪聲隨著源電阻的提高而增加。當(dāng)源電阻進(jìn)一步提高時(shí)(>100K?)，放大器電流噪聲成為總輸入噪聲的主要因素。

Q：放大器ADA4500周圍應(yīng)使用哪些電阻值？

A：ADA4500具有14.5 nV/√Hz的低電壓噪聲密度。在放大器輸入端放置一個(gè)熱噪聲為4 nV/√Hz的1K?電阻，會(huì)使折合到輸入端的總噪聲增加到15 nV/√Hz。在輸入端放置4k?電阻會(huì)將總噪聲增加到21.6 nV//√Hz。請(qǐng)務(wù)必在低噪聲放大器周圍使用低值電阻。

6.單電源使用時(shí)的輸出擺幅

Q：如果在AD817運(yùn)算放大器上使用+5V和0V的供電軌，輸出擺幅是否會(huì)下降到0V。

A：供電軌的輸出余量要求是距離供電軌最大電壓為1.8 V - 因此使用0V作為VE電軌可能僅允許您擺動(dòng)到1.8 V。擺幅要下降到零，需要+/-5 V雙電源。

7.放大器的容性負(fù)載驅(qū)動(dòng)

Q：規(guī)格表指出，ADA4807-2的容性負(fù)載驅(qū)動(dòng)為15pF。ADA4807-2能否驅(qū)動(dòng)更大的電容負(fù)載？這種大的容性負(fù)載是否會(huì)使放大器不穩(wěn)定？

A：是的，ADA4807-2能驅(qū)動(dòng)更大的電容負(fù)載。容性負(fù)載會(huì)對(duì)放大器的傳輸函數(shù)增加一個(gè)額外極點(diǎn)，這在很多情況下可能會(huì)影響穩(wěn)定性。在這種情況下保持穩(wěn)定性的常見方法是在放大器輸出和容性負(fù)載之間添加一個(gè)串聯(lián)電阻。對(duì)于很大的電容，只需要一個(gè)小電阻。例如，如果使用10uF電容，該電容太大，以至于電容的組合PCB走線電阻和ESR會(huì)提供足夠的串聯(lián)電阻來保持放大器的穩(wěn)定。數(shù)據(jù)手冊(cè)的“應(yīng)用”部分討論了這種配置。