CBFET运放AD843及其在阻抗匹配电路中的应用

CBFET运放AD843及其在阻抗匹配电路中的应用

介绍了CBFET（互补双极型场效应管）运算放大器AD843的主要功能特点及其在阻抗匹配电路中的应用。并通过几种阻抗匹配电路的比较说明了该芯片的独特性和优越性,最后给出了AD843的一个应用实例。

    关键词：CBFET 运算放大器 阻抗匹配 AD843

在电路设计中的许多情况下需要进行阻抗匹配变换,以适应各种芯片或元件间的匹配。传统的阻抗匹配由分立器件组成,因而电路干扰大、调试麻烦、开发周期长并且维护困难。而一些运放集成芯片由于本身在结构上的设计局限（如频带宽度,输入偏置电路等）,远远不能满足较宽频带和精确匹配的要求。CBFEY（互补双级型场效应管）运算放大器AD843却能以其独特的CBEFT设计来满足较精确应用的场合。本文简单介绍了AD843的特性,并结合笔者的体会以及对几种阻抗匹配电路的比较,产明了由AD843的组成阻抗匹配电路优越性。最后给出了AD843在笔者虚拟示波器硬件设计中的一个实际应用电路。

AD843除可用于阻抗匹配电路外,还可用于高速采样保持放大器、高速带宽有源滤波器、高速积分器以及高速信号调节器等电路。

AD843的主要特点如下：

●AD843具有高转换率、快速建立时间和低输入偏置电流等特性,这使得它在12位D/A和A/D缓冲器高速采样-保持放大器、高速积分器电路等应用方面成为一种理想的放大器;

●独特的互补双极型场效应管的内部结构使得AD843具有高输入阻抗和低输出阻抗的特点。因而AD843可以代替许多场效应管（EFT）的输入混合放大器,例如LH0032,LH4104和OPA600;

●采用完全差动输入方式,这使其在标准的高频运算放大器应用中（如高速带宽有源滤波器、高频信号等）调节起着显著的作用;

●采有内部激光晶片微调技术,从而使AD843的输入补偿电压可低于1mV;

●可利用AD843的1脚和脚8进行外部调零;

●AD843闭环运行时不需要外部补偿。

1 引脚功能及特性参数

1.1 引脚功能

CBFEF运算放大器AD843采用8脚DIP封装形式,图1是其引脚排列图,各引脚的功能如下：

1脚（BALANCE）：外部调零端;

2脚（-INPUT）：反相输入端;

3脚（+INPUT）：同相输入端;

4脚（-Vs）：负电源端;

5脚（NO CONNECT）：空脚;

6脚（OUTPUT）：输出端;

7脚（+Vs）：正电源端;

8脚（BALANCE）：调零端。

1.2 特性参数

AD843在±5V供电情况下的交流及直流特性参数发下：

●交流特性：

单位增益带宽：34MHz;

快速建立时间：135ns;

转换速率：250V/μs;

全功率带宽：3.9MHz;

上升时间：10ns;

输入电容：6pF。

●直流特性：

输入失调电压：最大1mV;

输入偏置电流：典型值0.6nA;

输入电压噪声：19nV/(Hz)1/2;

开环增益：接500Ω负载时为30V/mV;

输出电流：最小500mA;

馈电电流：最大13mA;

输入电阻：10 10Ω;

输出电阻：12Ω。

2 应用设计

2.1 实际电路要求

图2是笔者设计的一个虚拟示波器硬件系统的前端模拟部分框图。其中采集工作由探笔完成,它的输入端电阻一般在1MΩ以上,不同比例的衰减电路由分立原件组成。增益调节由可调增益运放AD603完成。而AD603的输入端电阻为100Ω左右,因此信号的输出电阻应远小于100Ω,否则电压分压将过大。这样,就要求阻抗变换部分的输出电阻要小,因此为了防止探头所采集的信号衰减过多,阻抗变换部分的输入电阻应在1MΩ左右或更大。而且要求信号带宽应在10MHz以上。同时要求该阻抗变换对信号不能衰减,即具有可压跟随器的作用。并且还要求阻抗变换结构简单,便于调试。

2.2 分立元件组成的阻抗匹配电路

为了找到一种合适的阻抗匹配电路,笔者对几种阻抗匹配电路进行了调试和比较,其中分别包括分立器件和集成芯片所构成的电路。

应用分立器件的原因是其价格低廉,为此笔者设计了源极输出器,它的特点是输入电阻高,而电压放大倍数小于且接近于1。

通过实验观察发现：分立元器组成的源极输出器除具上述优点外,同时也存在着以下几点不足：

（1）该源极输出器输出的波形很小。

（2）静态工作难以设置,致使信号负半周期不能完全输出。

（3）由于极间电容和导线的电容影响而导致频带变窄。

鉴于上述缺点,笔者设计了如图3所示的偏移电路,该电路采用孪生FET以降低零漂。由于采用恒流源作源极负载,因而增益更趋近于1,且直流工作状态极为稳定。

但是通过实验发现,该电路还有以下缺点：

（1）找两个N沟道结型场效应管特性十分对称的管子不太容易。

（2）由于极间电容和导线电容的影响,加之源负载的各极间存在的固有电容,致使带宽变窄。

传统的模拟示波器的阻抗匹配电路一般均采取上述两种方式,也可以在源极跟器后设置射极跟随器或用差分放大等方式来解决上述缺点,但所需用的器件太多,结构复杂。

2.3 集成芯片构成的阻抗匹配电路

集成电路芯片由于其集成度高、干扰小、性能良好、所占空间小,因此笔者根据输入阻抗高、输出阻抗低、频带宽的要求,选取了低功耗运放AD828。

图4为AD8228的引脚排列,由其组成的阻抗匹配电路如图5所示。

图5中,D1、D2为限压二极管,R1为1MΩ的电阻,运放AD828接成电压跟随器形式,通过实验观察：该电路在频带宽度方面能够满足要求。然而,它还是存在着以下几点不足：

（1）输入开路时,AD828输入端3脚有一1.0V的电压,从而导致输出端1脚不能为零。而调计要求是：无论输入零电位还是输入开路,输出端都应为零电位。

（2）若减小R1的阻值,AD828输入端的电压也将减小。这说明AD828输入端3脚存在灌电路。

（3）由于灌电流的影响,系统中不同比例衰减电路的不同分压电阻将在AD828的输入端3脚产生不同的电压,从而造成输出端1脚的电压误差,且不易消除。

由于上述电路均不能满足设计要求。因此笔者选用了AD843芯片并采用了如图5所示的、与AD828相同的电路来进行阻抗匹配。经过测试发现：当输入电压±1V的范围内时,其频带在20MHz左右,可以满足频带要求。并且具有输入阻抗高、输出阻抗低的特点,从而达到了系统阻抗匹配电路的要求。

2.4 AD843组成的具体电路

我们知道,示波器所显示的波形可以上下移动和放大缩小。图6是一个虚拟示波器硬件系统前端模拟部分的具体电路。图中,μP741,AD603两个芯片用来完成示波器的上下移动和放大缩小。芯片AD843在这里不仅起阻抗变换的作用,而且承担着和μP741一起来完成示波器所显示的波形的上下移动的任务。波形放大缩小的粗调由不同比例的衰减电路完成,波形放大缩小的细调则由AD603。

3 注意事项

（1）同多数高带宽放大器一样,AD843易受负载电路的影响,尤其是在用作电压跟随器时,负载电容在小于20pF时对AD843的额定性能影响不大。但在负载电容较大时对AD843影响就不能忽视了。如阶越响应的尖峰情况。这时应当用电阻或电阻、电容的组合来构成反馈进行调节。

(2)AD843的静态功耗要比许多高速运放低,因而不需要散热器。但是如果负载电阻过低,那么流过负载的电路会增大,从而导致明显的温度上升,使输入偏置电流增高。这时可加一个小散热器。

（3）AD843电路的导线连接应尽可能短,提供低电抗、低电感的电路通道以减少高频时的耦合。

（4）集成电路插座应尽量避免,因为它们有可能增加线间电容而降低带宽。

（5）AD843的电源端应加2.2μF和0.1μF的两个并联电容以使供电稳定。

4 结束语

通过几种阻抗变换的电路比较,以及在虚拟示波器硬件系统前端模拟部分的实际应用,笔者认为：AD843在完成阻抗变换方面优势明显,完全能够符合设计的需要。可大大减轻调试的工作量和干扰带来的麻烦,是一种应用十分广泛的新型芯片。