準確測量運算放大器輸入電容的小技巧

作者 : Thomas Brand,ADI 現場應用工程師

在測量運算放大器輸入電容時,必須確保測量精度不受PCB或測試裝置的雜散電容和電感影響...

問題:測量運算放大器輸入電容時,有哪些注意事項?

答案:必須確保測量精度不受PCB或測試裝置的雜散電容和電感影響。您可以使用低電容探頭、在PCB上使用短連接線,並且避免在訊號佈線下大面積鋪地來盡可能規避這些問題。

運算放大器被廣泛用於各種電子電路中。其用於小電壓的放大,以進一步執行訊號處理。煙霧偵測器、光電二極體跨阻放大器、醫療器械,甚至工業控制系統等應用都需要盡可能最低的運算放大器輸入電容,因為這會影響雜訊增益(Noise Gain),進而影響系統的穩定性,特別是具有高頻率和高增益的系統。

為了盡可能提升相應電路的精度,需要知道運算放大器的輸入電容大小。但是產品手冊中通常不提供這一資訊,所以需要單獨確定。這可能很困難,因為在許多情況下,輸入電容都只有幾pF。

1列出幾個不同的運算放大器示例,及其各自輸入電容值。

1:不同的運算放大器及其輸入電容值

如何確定輸入電容

1顯示確定運算放大器輸入電容的一種簡單方法,即增加一個電阻,與運算放大器輸入串聯(RSERIES)。這會形成一階低通濾波器,其頻率響應可由網路分析儀進行記錄。根據頻率響應可以計算出輸入電容。電阻RSERIES一般在10kΩ至100kΩ之間。

Figure 1. With a series resistor at the op amp input, the input capacitance of the op amp can be measured.

1:在運算放大器輸入端增加串聯電阻之後,可以測量運算放大器的輸入電容。

在記錄頻率響應時,必須確保測量精度不受PCB或測試裝置的雜散電容和雜散電感影響。

為了提高測量解析度,應盡可能降低雜散電容。建議使用低電容(<1pF) FET探頭。

PCB對接地電容應盡可能低,這可以透過確保訊號佈線和串聯電阻下方沒有接地層來實現。

此外,應使用盡可能短的線路和(電阻)接線,以規避額外的誤差源,例如串聯電感和寄生電感。

2顯示可能的測試配置,其中包含網路分析儀和功率分配器。

Figure 2. Test setup for determining the op amp input capacitance.

2:用於確定運算放大器輸入電容的測試設置。

功率分配器負責分割訊號。訊號1:1原樣饋送至網路分析儀的輸入端,在通過插入的低通濾波器之後,到達運算放大器的輸入端。然後,網路分析儀根據這兩個訊號之間的差值產生頻率響應。

為了進行測量,需要確定雜散電容CSTRAY。首先,對沒有安裝運算放大器的PCB應用該訊號進行測量。根據得到的波特圖,使用公式1計算CSTRAY

Equation 1

f1(–3dB)是使用網路分析儀,在不具有運算放大器時測量得出的–3dB轉角頻率,RTH1與插入的串聯電阻(RSERIES)、輸入端接電阻(50Ω)和功率分配器(Thévenin同等產品)的50Ω源阻抗成函數關係:

Equation 2

然後,將運算放大器安裝到PCB上。

由於PCB的雜散電容與運算放大器的輸入電容並聯,所以在公式1中加入CIN,如公式3所示:

Equation 3

其中,f2(–3 dB)是使用網路分析儀,在具有運算放大器時測量得出的–3dB轉角頻率,RTH2與插入的串聯電阻、輸入端接電阻(50Ω)、功率分配器的輸出電阻(50Ω),以及運算放大器(RCM)的共模輸入阻抗成函數關係:

Equation 4

一般來說,對於具有CMOS輸入的運算放大器,RSERIES << RCM。所以,RTH2 ≈ RTH1,公式3可以改寫成公式5:

Equation 5

然後,可以使用公式1和公式5確定運算放大器的輸入電容。

結論

運算放大器的輸入電容是很難測量的。它通常只有幾pF,並且測試設置中的寄生效應會扭曲測量結果。我們可以使用小型測試裝置,以及由網路分析儀和功率分配器構成的適用測量設備輕鬆確定輸入電容:首先,確定雜散電容(測試設置中的誤差電容),然後,透過頻率響應確定運算放大器電路的組合電容(誤差電容和輸入電容)。根據上述公式,可以計算運算放大器的實際輸入電容。

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