低功耗高速電壓反饋放大器AD8038/AD8039：特性、應(yīng)用與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，放大器的性能直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的表現(xiàn)。今天要和大家分享的是Analog Devices公司的AD8038和AD8039放大器，它們以其低功耗、高速等特性，在眾多應(yīng)用場(chǎng)景中表現(xiàn)出色。

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產(chǎn)品概述

AD8038為單放大器，AD8039為雙放大器，它們均屬于高速（350 MHz）電壓反饋放大器，典型靜態(tài)電流僅為1.0 mA/放大器（最大1.5 mA）。AD8038的8引腳SOIC封裝還具備禁用功能，能有效降低功耗。這兩款放大器雖功耗低、成本低，但整體性能優(yōu)異，擁有425 V/μs的高轉(zhuǎn)換速率和最大3 mV的低輸入失調(diào)電壓。

它們的供電范圍寬，為3 V至12 V，且采用了小封裝形式，如8引腳SOIC、5引腳SC70和8引腳SOT - 23，適用于對(duì)空間和功耗要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景。

關(guān)鍵特性

電氣性能

• 低功耗：每放大器靜態(tài)電流僅1 mA，在電池供電設(shè)備中優(yōu)勢(shì)明顯，可延長(zhǎng)設(shè)備續(xù)航時(shí)間。
• 高速性能：-3 dB帶寬達(dá)350 MHz（G = +1），轉(zhuǎn)換速率為425 V/μs，能快速響應(yīng)輸入信號(hào)變化，適用于高頻信號(hào)處理。
• 低噪聲：在100 kHz時(shí)，電壓噪聲為8 nV/√Hz，電流噪聲為600 fA/√Hz，可有效減少信號(hào)干擾，提高信號(hào)質(zhì)量。
• 低輸入偏置電流：最大750 nA，降低了輸入信號(hào)的誤差，提高了放大器的精度。
• 低失真：在1 MHz時(shí)SFDR為 - 90 dB，5 MHz時(shí)為 - 65 dB，能保證信號(hào)的高保真度。

其他特性

• 寬供電范圍：3 V至12 V的供電范圍，增加了放大器在不同電源系統(tǒng)中的適用性。
• 小封裝形式：多種小封裝選擇，方便在空間受限的電路板上布局。

應(yīng)用場(chǎng)景

電池供電儀器

由于其低功耗特性，AD8038/AD8039非常適合用于電池供電的儀器設(shè)備。在這些設(shè)備中，功耗是一個(gè)關(guān)鍵因素，低功耗可以延長(zhǎng)電池的使用時(shí)間，減少頻繁更換電池的麻煩。例如，一些便攜式的測(cè)量?jī)x器，如手持示波器、便攜式萬(wàn)用表等，都可以使用這兩款放大器來(lái)提高設(shè)備的性能和續(xù)航能力。

濾波器

在濾波器設(shè)計(jì)中，AD8038/AD8039的高速性能和低噪聲特性使其能夠有效地處理高頻信號(hào)。例如，在音頻濾波器中，可以利用它們的低失真特性來(lái)保證音頻信號(hào)的高保真度；在視頻濾波器中，它們的高速響應(yīng)能力可以處理高速變化的視頻信號(hào)，減少信號(hào)的失真和干擾。

A/D驅(qū)動(dòng)

AD8038/AD8039可以作為A/D轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動(dòng)放大器，為其提供穩(wěn)定的輸入信號(hào)。在低電源電壓應(yīng)用中，它們可以實(shí)現(xiàn)單端到差分的轉(zhuǎn)換，增加ADC輸入的動(dòng)態(tài)范圍，減少二階和其他偶次失真產(chǎn)物。例如，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，將AD8039與AD9203 ADC配合使用，可以提高系統(tǒng)的采樣精度和性能。

電平轉(zhuǎn)換和緩沖

在電路中，常常需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換和信號(hào)緩沖。AD8038/AD8039可以很好地完成這些任務(wù)，它們能夠提供穩(wěn)定的輸出信號(hào)，保證信號(hào)在傳輸過(guò)程中的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

光電倍增管

光電倍增管需要一個(gè)高性能的放大器來(lái)處理其輸出的微弱信號(hào)。AD8038/AD8039的低噪聲和高增益特性使其成為光電倍增管應(yīng)用的理想選擇，可以有效地放大微弱信號(hào)，提高檢測(cè)的靈敏度。

規(guī)格參數(shù)

動(dòng)態(tài)性能

• -3 dB帶寬：在不同增益和輸出電壓條件下有不同表現(xiàn)，如G = +1，Vo = 0.5Vp - p時(shí)為350 MHz。
• 轉(zhuǎn)換速率：高達(dá)425 V/μs，能快速響應(yīng)信號(hào)變化。
• 過(guò)驅(qū)動(dòng)恢復(fù)時(shí)間和建立時(shí)間：過(guò)驅(qū)動(dòng)恢復(fù)時(shí)間短，建立時(shí)間快，可保證信號(hào)的快速穩(wěn)定。

直流性能

• 輸入失調(diào)電壓：最大3 mV，保證了輸入信號(hào)的準(zhǔn)確性。
• 輸入偏置電流：最大750 nA，減少了輸入信號(hào)的誤差。
• 開(kāi)環(huán)增益：較高的開(kāi)環(huán)增益，提高了放大器的放大能力。

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，對(duì)輸入信號(hào)的影響較小。
• 輸入共模電壓范圍：較寬的輸入共模電壓范圍，增加了放大器的適用性。
• 輸出電壓擺幅和電容負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力：輸出電壓擺幅大，能驅(qū)動(dòng)一定的電容負(fù)載。

電源特性

• 工作范圍：3 V至12 V的寬供電范圍。
• 靜態(tài)電流：每放大器典型靜態(tài)電流為1.0 mA，最大1.5 mA。
• 電源抑制比：較高的電源抑制比，能有效減少電源噪聲的影響。

功耗禁用特性

AD8038的8引腳SOIC封裝具有禁用功能，可將靜態(tài)電流從1 mA降低到0.2 mA，在不使用放大器時(shí)降低功耗。

絕對(duì)最大額定值

• 電源電壓：最大12.6 V，使用時(shí)需注意電源電壓的選擇。
• 功耗：由封裝和散熱條件決定，需根據(jù)具體情況進(jìn)行計(jì)算和設(shè)計(jì)。
• 輸入電壓：共模輸入電壓為±VS，差模輸入電壓為±4 V。
• 溫度范圍：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。

最大功耗計(jì)算

放大器的最大安全功耗受管芯結(jié)溫上升的限制。結(jié)溫可通過(guò)公式 (T{J}=T{A}+(P{D} × theta{J A})) 計(jì)算，其中 (T{A}) 為環(huán)境溫度，(P{D}) 為封裝功耗，(theta_{J A}) 為熱阻。

封裝功耗 (P{D}) 由靜態(tài)功耗和負(fù)載驅(qū)動(dòng)功耗組成。在不同的負(fù)載條件下，(P{D}) 的計(jì)算公式有所不同。例如，當(dāng)負(fù)載 (R{L}) 參考到電源中點(diǎn)時(shí)，(P{D}=[V{S} × I{S}]+[(V{S} / 2) × (V{OUT } / R{L})]-[V{OUT }^{2} / R_{L}]) 。

在實(shí)際應(yīng)用中，需要考慮負(fù)載的均方根輸出電壓。如果 (R{L}) 參考到 (V{s -}) ，則需根據(jù)具體情況進(jìn)行計(jì)算。此外，氣流可以增加散熱，有效降低熱阻；更多的金屬接觸可以減少熱阻。但在高速運(yùn)放的設(shè)計(jì)中，要注意最小化輸入引腳的寄生電容。

典型性能特性

通過(guò)一系列圖表展示了AD8038/AD8039在不同條件下的性能表現(xiàn)，如不同增益、負(fù)載電阻、電源電壓、電容負(fù)載等情況下的小信號(hào)和大信號(hào)頻率響應(yīng)，以及諧波失真、噪聲等特性。這些圖表可以幫助工程師更好地了解放大器的性能，以便在設(shè)計(jì)中做出合理的選擇。

布局、接地和旁路考慮

禁用功能

AD8038的8引腳SOIC封裝的禁用功能可通過(guò)將DISABLE節(jié)點(diǎn)拉低至低于正電源軌4.5 V來(lái)禁用放大器，將其拉高至大于 ((V_{s}-2.5)) V來(lái)啟用放大器。禁用后，靜態(tài)電流可從1 mA降低到0.2 mA。

電源旁路

電源引腳需要提供無(wú)噪聲、穩(wěn)定的直流電壓。旁路電容的作用是在所有頻率下創(chuàng)建從電源到地的低阻抗路徑，以分流或過(guò)濾大部分噪聲。通常采用并聯(lián)電容的方式來(lái)最小化旁路阻抗，0.01 μF或0.001 μF（X7R或NPO）的貼片電容應(yīng)盡可能靠近放大器封裝放置，而較大的0.1 μF電容可在同一信號(hào)路徑中的幾個(gè)緊密排列的有源組件之間共享，10 μF鉭電容在大多數(shù)情況下每塊電路板只需一個(gè)，放置在電源輸入處。

接地

在密集的PCB板中，接地平面層對(duì)于分散電流、最小化寄生電感非常重要。要了解電流在電路中的流動(dòng)路徑，因?yàn)殡娏髀窂降拈L(zhǎng)度與寄生電感的大小成正比，高頻電流在電感接地回路中會(huì)產(chǎn)生不必要的電壓噪聲。高頻旁路電容的引腳長(zhǎng)度至關(guān)重要，旁路接地中的寄生電感會(huì)抵消旁路電容產(chǎn)生的低阻抗。負(fù)載電流也從電源流出，因此負(fù)載阻抗的接地應(yīng)與旁路電容的接地在同一物理位置。對(duì)于用于低頻的較大值電容，電流返回路徑的距離不太關(guān)鍵。

輸入電容

高速放大器對(duì)輸入與地之間的寄生電容敏感，幾皮法的電容會(huì)降低高頻輸入阻抗，增加放大器的增益，導(dǎo)致頻率響應(yīng)出現(xiàn)峰值，甚至可能引起振蕩。建議將連接到輸入引腳的外部無(wú)源組件盡可能靠近輸入引腳放置，以避免寄生電容。電路板各層的接地和電源平面應(yīng)與輸入引腳保持至少0.05 mm的距離。

輸出電容

輸出端的寄生電容會(huì)導(dǎo)致頻率響應(yīng)出現(xiàn)峰值，可通過(guò)兩種方法來(lái)減小這種影響：一是在輸出端串聯(lián)一個(gè)小阻值電阻，將負(fù)載電容與放大器的輸出級(jí)隔離；二是通過(guò)更高的噪聲增益增加相位裕度，或在 - IN與輸出之間添加并聯(lián)的電阻和電容來(lái)增加一個(gè)極點(diǎn)。

輸入輸出耦合

輸入和輸出信號(hào)走線不應(yīng)平行，以最小化輸入和輸出之間的電容耦合，避免正反饋。

應(yīng)用信息

低功耗ADC驅(qū)動(dòng)

對(duì)于低功耗、高性能的ADC，如AD9203，AD8039是合適的驅(qū)動(dòng)放大器。在低電源電壓應(yīng)用中，可使用AD8039制作直流耦合的單端到差分驅(qū)動(dòng)器，以增加ADC輸入的動(dòng)態(tài)范圍，減少二階和其他偶次失真產(chǎn)物。通過(guò)合理配置運(yùn)算放大器的增益，可使輸出信號(hào)的共模電壓與ADC的中電源電壓匹配，從而提高ADC的性能。

低功耗有源視頻濾波器

在處理數(shù)字源復(fù)合視頻信號(hào)時(shí)，可能會(huì)存在時(shí)鐘饋通問(wèn)題，影響圖像質(zhì)量。傳統(tǒng)的有源濾波器功耗較高，而AD8038可用于制作低功耗的有源低通濾波器，功耗僅為傳統(tǒng)有源濾波器的五分之一。通過(guò)使用一個(gè)單RC極點(diǎn)和一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的2極點(diǎn)有源部分組成的三極點(diǎn)Sallen - Key濾波器，可有效抑制時(shí)鐘分量，提高視頻質(zhì)量。

外形尺寸和訂購(gòu)指南

文檔提供了AD8038/AD8039不同封裝的外形尺寸圖，包括8引腳SOIC、5引腳SC70和8引腳SOT - 23封裝，方便工程師進(jìn)行電路板布局設(shè)計(jì)。同時(shí)，還給出了詳細(xì)的訂購(gòu)指南，列出了不同型號(hào)、溫度范圍、封裝描述、封裝選項(xiàng)和品牌標(biāo)識(shí)，方便工程師根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行選擇。

AD8038/AD8039以其低功耗、高速、低噪聲等優(yōu)異特性，在眾多應(yīng)用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。但在設(shè)計(jì)過(guò)程中，工程師需要根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景和要求，合理選擇放大器的參數(shù)和布局方式，以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)。大家在實(shí)際應(yīng)用中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。