超低噪声BiFET运算放大器AD743：特性、应用与设计要点

在电子工程师的日常设计工作中，选择合适的运算放大器是实现高性能电路的关键。今天，我们来深入探讨一款性能卓越的超低噪声BiFET运算放大器——AD743。

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一、AD743概述

AD743是一款超低噪声、高精度、FET输入的单片运算放大器。它结合了双极型输入运算放大器的超低电压噪声和FET输入器件的极低输入电流的优点。并且，当超过负共模电压限制时，AD743不会出现输出相位反转的情况，这在一些对信号相位精度要求较高的应用中非常重要。它采用16引脚SOIC和8引脚PDIP封装，其中AD743J的工作温度范围为0°C至70°C。

二、AD743的特性

（一）超低噪声性能

1. 电压噪声：在10 kHz时，电压噪声低至(2.9 nV / sqrt{Hz})；在0.1 Hz至10 Hz频段，噪声为0.38 µV p-p。如此低的噪声水平使得AD743在对噪声敏感的应用中表现出色，比如音频处理、传感器信号放大等。
2. 电流噪声：在1 kHz时，电流噪声为(6.9 fA / sqrt{Hz})。低电流噪声对于高阻抗源的应用尤为重要，能够有效减少因电流噪声引入的误差。

（二）出色的DC性能

1. 失调电压：最大失调电压为0.5 mV，这意味着在直流信号放大时，输出信号的误差较小，能够更准确地反映输入信号的变化。
2. 输入偏置电流：最大输入偏置电流为250 pA，低输入偏置电流可以降低因偏置电流在输入电阻上产生的电压降，从而提高电路的精度。
3. 开环增益：最小开环增益为1000 V/mV，高的开环增益使得运算放大器在闭环应用中能够更精确地实现所需的增益。

（三）AC性能

1. 压摆率：压摆率为2.8 V/µs，它决定了运算放大器能够处理的最大信号变化率，对于快速变化的信号，较高的压摆率可以保证信号的不失真放大。
2. 单位增益带宽：单位增益带宽为4.5 MHz，这表示在该带宽范围内，运算放大器的增益为1，能够满足一定频率范围内的信号放大需求。
3. 总谐波失真：在1 kHz时，总谐波失真为(0.0003 %)，低的总谐波失真说明输出信号的失真度较小，能够更好地还原输入信号。

三、AD743的应用领域

（一）声纳前置放大器

在声纳系统中，微弱的声纳信号需要经过前置放大才能进行后续处理。AD743的超低噪声性能可以有效提高声纳信号的信噪比，从而增强声纳系统的探测能力。那么，在实际声纳系统设计中，如何根据具体的声纳信号特点来优化AD743的电路参数呢？这是我们需要进一步思考的问题。

（二）高动态范围滤波器（> 140 dB）

对于需要处理宽动态范围信号的滤波器，AD743的低失调电压和低噪声特性能够保证滤波器在不同信号强度下都能稳定工作，实现高动态范围的信号处理。当设计这类滤波器时，怎样选择合适的外围元件与AD743配合，以达到最佳的滤波效果呢？

（三）光电二极管和红外探测器放大器

光电二极管和红外探测器输出的信号通常非常微弱，AD743的低噪声和低输入偏置电流特性可以将这些微弱信号进行有效放大，同时减少噪声干扰。在实际应用中，如何处理探测器与AD743之间的接口问题，以提高系统的整体性能呢？

（四）加速度计

加速度计输出的信号对噪声和精度要求较高，AD743的超低噪声和出色的DC性能能够满足加速度计信号放大的需求，确保加速度测量的准确性。在加速度计电路设计中，如何考虑温度变化对AD743性能的影响，从而提高系统的稳定性呢？

四、AD743的设计要点

（一）低噪声电路设计

1. 噪声区域特性：运算放大器的输入电压噪声性能通常分为平带和低频噪声两个区域。AD743在这两个区域都表现出色，在10 kHz时的(2.9 nV / sqrt{Hz})噪声水平对于JFET输入放大器来说是非常优秀的，而0.1 Hz至10 Hz的噪声通常为0.38 µV p-p。
2. 优化低频噪声性能的方法
   • 屏蔽气流：随机气流会产生变化的热电偶电压，表现为低频噪声，因此敏感电路应良好地屏蔽气流。比如在实际设计中，可以采用金属屏蔽罩来减少气流对电路的影响。那么，在不同的应用环境中，如何选择合适的屏蔽材料和方式呢？
   • 降低芯片温度：保持芯片绝对温度低也能从两个方面减少低频噪声。一是低频噪声强烈依赖于环境温度，在高于 +25°C 时会增加；二是IC封装到环境的温度梯度越大，随机气流产生的噪声幅度也会越大。可以通过降低电源电压和使用合适的夹式散热器来降低芯片温度。在选择散热器时，需要考虑哪些因素才能达到最佳的散热效果呢？
3. 低频电流噪声计算：低频电流噪声可以通过公式(tilde{I}{n}=sqrt{2 q I{B} Delta f})计算，在低于约100 Hz时，其功率谱密度以1/f方式增加。对于AD743，在1 kHz时的典型电流噪声值为(6.9 fA / sqrt{Hz})。使用公式(tilde{I}_{n}=sqrt{4 k T / R Delta f})计算电阻的约翰逊噪声（以电流形式表示），可以发现AD743的电流噪声相当于一个(3.45 ×10^{8} Omega)的源电阻。
4. 高频电流噪声特性：在高频时，FET的电流噪声与频率成正比增加，这是由于栅极输入阻抗的“实”部随频率降低。但通常这个噪声分量并不重要，因为放大器输入电容上的电压噪声会产生一个大致相同幅度的视在电流噪声。
5. 内部偏置电路电流噪声处理：在任何FET输入放大器中，内部偏置电路的电流噪声可以通过栅 - 源电容耦合到外部，表现为输入电流噪声。由于这种噪声在输入端是完全相关的，因此匹配源阻抗可以抵消其影响。在处理源电容小于300 pF的情况时，应同时平衡输入电阻和输入电容。在实际电路中，如何准确地匹配源阻抗和平衡输入电阻、电容呢？

（二）低噪声电荷放大器设计

1. 适用场景：AD743同时具备低电压和低电流噪声，使其特别适用于需要非常高电荷灵敏度的应用，如电容式加速度计和水听器。
2. 电荷与电压、电流的关系：电荷（Q）与电压和电流的基本关系为(Q = C V)和(I = dQ / dt)，电压、电流和电荷噪声可以直接相关。电容上开路电压的变化（∆V）等于电荷变化（∆Q/C）和内置电荷下电容变化（Q/∆C）的组合。
3. 电荷放大器电路设计
   • 电荷放大器电路模型：图4所示的电荷放大器电路中，放大基于放大器A1输入处的电荷守恒原理，即电容(C{s})上的电荷转移到电容(C{F})上，从而得到输出电压(Delta Q / C{F})。放大器的输入电压噪声会以电路的噪声增益（((1 + (C{S} / C_{F})))）放大后出现在输出端。
   • 高阻抗跟随器带增益电路：图5所示的电路是一个带增益的高阻抗跟随器，其噪声增益（1 + (R1/R2)）与从换能器到输出的增益相同。在这两个电路中，都需要电阻(R_{B})作为直流偏置电流回路。
4. 电路噪声来源及处理
   • 噪声来源：这些电路中有三个重要的噪声源。放大器A1和A2贡献电压和电流噪声，电阻(R{B})贡献电流噪声，其计算公式为(tilde{N}=sqrt{4 k frac{T}{R{B}} Delta f})，其中(k)为玻尔兹曼常数，(T)为绝对温度，(Delta f)为带宽。这个噪声必须与放大器自身的电流噪声进行均方根求和。
   • 噪声性能优化：图6显示了在(C{S} / C{F}=R 1 / R 2)的条件下，这两个电路具有相同的频率响应和噪声性能。第一个电路的一个特点是使用“T”网络来增加(R{B})的有效电阻，并以相同的因子改善低频截止点。但这不会改变(R{B})的噪声贡献，在这个例子中，(R{B})在低频时占主导地位。图7展示了如何选择足够大的(R{B})以最小化该电阻对整体电路噪声的贡献，当(R{B})的等效电流噪声（(sqrt{4 k T / R})）等于(I{B})的噪声（(sqrt{2 qI{B}})）时，增大(R{B})的效果会逐渐减小。
   • 源阻抗和电容平衡：为了在温度变化时最大化直流性能，应平衡放大器每个输入的源电阻，如图4和图5中的可选电阻(R{B})所示。同时，为了获得最佳噪声性能，还应注意平衡源电容(C{B})，图4中的(C{B})值应等于图5中的(C{s})。当(C{B})值超过300 pF时，对噪声的影响会逐渐减小，此时电容(C{B})可以简单地使用0.01 µF或更大的旁路电容。在实际设计中，如何准确地选择(R{B})和(C{B})的值呢？

（三）芯片封装类型和功耗对输入偏置电流的影响

1. 输入偏置电流与结温的关系：与所有JFET输入放大器一样，AD743的输入偏置电流是器件结温的直接函数，结温每升高10°C，(I{B})大约翻倍。图8展示了AD743的偏置电流与结温之间的关系，降低结温可以显著改善(I{B})。
2. IC的热模型分析：IC的直流热特性可以通过图9所示的简单模型近似，其中电流表示功耗，电压表示温度，电阻表示热阻（单位为°C/W）。根据该模型，(T{J}=T{A}+theta{JA} P{IN})，因此可以通过图8以及公布的(theta{JA})和功耗数据来确定特定应用中的(I{B})。用户可以通过使用合适的夹式散热器（如Aavid No. 5801）来修改(theta{JA})。在以芯片形式使用AD743时，(theta{JA})也是一个变量。图10展示了不同(theta{JA})值下偏置电流与电源电压的关系，可用于计算(theta{JA})后预测偏置电流。同样，偏置电流每10°C翻倍。以芯片形式使用AD743时（图11），设计者还需要同时关注(theta{JC})和(theta{CA})，因为(theta{JC})会受到所使用的管芯安装技术类型的影响。通常，(theta{JC})在3°C/W至5°C/W范围内，对于普通封装，这种小的功耗水平可以忽略不计，但对于大型混合基板，(theta{JC})在总(theta{JA})中所占比例会更大。在实际应用中，如何根据不同的封装类型和功耗要求来控制结温，从而优化输入偏置电流呢？

（四）降低电源电压以降低(I_{B})

降低电源电压可以通过两种方式降低(I_{B})：一是降低总功耗，二是减少基本的栅 - 结泄漏（如图10所示）。图12展示了一个40 dB增益的压电换能器放大器，该放大器在 - 40°C至 + 85°C温度范围内无需交流耦合电容即可工作。如果使用可选的耦合电容，该电路可以在整个 - 55°C至 + 125°C的军事温度范围内工作。在实际设计中，如何根据具体的温度范围和性能要求来选择是否使用耦合电容呢？

（五）输入阻抗补偿的Sallen - Key滤波器设计

图13所示的简单高通滤波器存在一个常被忽视的重要误差源。即使放大器A的输入电容只有5 pF，也会导致通带幅度误差增加1%，并产生与输入结电容的C/V特性成比例的失真。添加标记为Z的网络可以平衡放大器A所看到的源阻抗，从而消除这些误差。在设计这种滤波器时，如何准确地确定网络Z的参数呢？

（六）高性能加速度计放大器设计

1. 两种电路配置：图14a和图14b展示了两种将AD743配置为低噪声电荷放大器的方式，用于与各种压电加速度计配合使用。
2. 输入灵敏度和噪声增益：这些电路的输入灵敏度由电容(C1)的值决定，等于(Delta V{OUT }=frac{Delta Q{OUT }}{C 1})。电容(C1)与换能器内部电容（(C{T})）的比值决定了电路的噪声增益（1 + ((1 + C{T} / C 1))），放大器的电压噪声会以这个倍数放大后出现在输出端。
3. 低频带宽：这些电路的低频带宽取决于电阻(R1)的值。如果使用“T”网络，有效电阻为(R1(1 + R2 / R3))。
4. 直流伺服环路的应用：图14b中使用直流伺服环路可以确保直流输出小于10 mV，在处理高达100 nA的偏置电流时，无需使用大的补偿电阻。为了获得最佳低频性能，伺服环路的时间常数（(R4C2 = R5C3)）应满足(Time Constant geq 10 R1left(1+frac{R2}{R3}right) C1)。在实际设计加速度计放大器时，如何根据加速度计的具体参数来选择合适的(C1)、(R1)等元件值呢？

（七）低噪声水听器放大器设计

1. 不同电路形式：图15a和图15b所示的电路可用于放大典型水听器的输出。图15a是一个典型的直流耦合电路，可选的电阻和电容用于抵消偏置电流流过电阻(R1)产生的直流失调。图15b是原始电路的一种变体，其低频截止由RC时间常数决定，公式为(Time Constant =frac{1}{2 pi × C{C} × 100 Omega})，直流增益为1，高于低频截止频率（(1 /(2 pi C{C}(100 Omega)))）的增益与图15a所示电路相同。图15c使用直流伺服环路将直流输出保持在0 V，并在(I{B})高达100 nA时保持全动态范围。(R7)和(C2)的时间常数应大于(R1)和(C{T})的时间常数，以实现平滑的低频响应。
2. 低噪声处理：所示换能器的源电容为7500 pF。对于较小的换能器电容（≤300 pF），可以通过在AD743的反相输入端串联一个并联RC网络（(R4 = R1)，(C1 = C_{T})）来实现最低噪声。在设计水听器放大器时，如何根据水听器的输出特性来选择合适的电路形式和元件参数呢？

（八）平衡源阻抗

平衡AD743输入端所看到的源阻抗（包括电阻和电抗）是一种良好的设计实践。平衡电阻分量可以在温度变化时优化直流性能，因为平衡可以减轻任何偏置电流误差的影响。平衡输入电容可以最小化由于放大器输入电容引起的交流响应误差，并且如图16所示，噪声性能也会得到优化。图17展示了非反相（A）和反相（B）配置所需的外部元件。在实际电路设计中，如何准确地平衡源阻抗，以达到最佳的性能呢？

五、总结

AD743作为一款高性能的超低噪声BiFET运算放大器，具有出色的噪声性能、DC性能和AC性能，适用于多种对精度和噪声要求较高的应用领域。在设计使用AD743的电路时，需要充分考虑其特性和各种设计要点，如低噪声电路设计、芯片封装和功耗对输入偏置电流的影响、不同应用电路的设计等，以实现最佳的电路性能。同时，我们在设计过程中也需要不断思考和优化，根据具体的应用场景和要求来调整电路参数，从而充分发挥AD743的优势。希望本文能为电子工程师们在使用AD743进行电路设计时提供一些有益的参考。