低功耗高速電壓反饋放大器AD8038/AD8039：特性、應用與設計要點

在電子設計領域，放大器的性能直接影響著整個系統的表現。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，在眾多應用場景中表現出色。

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產品概述

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，但整體性能優異，擁有425 V/μs的高轉換速率和最大3 mV的低輸入失調電壓。

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，適用于對空間和功耗要求較高的應用場景。

關鍵特性

電氣性能

• 低功耗：每放大器靜態電流僅1 mA，在電池供電設備中優勢明顯，可延長設備續航時間。
• 高速性能：-3 dB帶寬達350 MHz（G = +1），轉換速率為425 V/μs，能快速響應輸入信號變化，適用于高頻信號處理。
• 低噪聲：在100 kHz時，電壓噪聲為8 nV/√Hz，電流噪聲為600 fA/√Hz，可有效減少信號干擾，提高信號質量。
• 低輸入偏置電流：最大750 nA，降低了輸入信號的誤差，提高了放大器的精度。
• 低失真：在1 MHz時SFDR為 - 90 dB，5 MHz時為 - 65 dB，能保證信號的高保真度。

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。

應用場景

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備。在這些設備中，功耗是一個關鍵因素，低功耗可以延長電池的使用時間，減少頻繁更換電池的麻煩。例如，一些便攜式的測量儀器，如手持示波器、便攜式萬用表等，都可以使用這兩款放大器來提高設備的性能和續航能力。

濾波器

在濾波器設計中，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。例如，在音頻濾波器中，可以利用它們的低失真特性來保證音頻信號的高保真度；在視頻濾波器中，它們的高速響應能力可以處理高速變化的視頻信號，減少信號的失真和干擾。

A/D驅動

AD8038/AD8039可以作為A/D轉換器的驅動放大器，為其提供穩定的輸入信號。在低電源電壓應用中，它們可以實現單端到差分的轉換，增加ADC輸入的動態范圍，減少二階和其他偶次失真產物。例如，在數據采集系統中，將AD8039與AD9203 ADC配合使用，可以提高系統的采樣精度和性能。

電平轉換和緩沖

在電路中，常常需要進行電平轉換和信號緩沖。AD8038/AD8039可以很好地完成這些任務，它們能夠提供穩定的輸出信號，保證信號在傳輸過程中的準確性和穩定性。

光電倍增管

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

規格參數

動態性能

• -3 dB帶寬：在不同增益和輸出電壓條件下有不同表現，如G = +1，Vo = 0.5Vp - p時為350 MHz。
• 轉換速率：高達425 V/μs，能快速響應信號變化。
• 過驅動恢復時間和建立時間：過驅動恢復時間短，建立時間快，可保證信號的快速穩定。

直流性能

• 輸入失調電壓：最大3 mV，保證了輸入信號的準確性。
• 輸入偏置電流：最大750 nA，減少了輸入信號的誤差。
• 開環增益：較高的開環增益，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，對輸入信號的影響較小。
• 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載驅動能力：輸出電壓擺幅大，能驅動一定的電容負載。

電源特性

• 工作范圍：3 V至12 V的寬供電范圍。
• 靜態電流：每放大器典型靜態電流為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，可將靜態電流從1 mA降低到0.2 mA，在不使用放大器時降低功耗。

絕對最大額定值

• 電源電壓：最大12.6 V，使用時需注意電源電壓的選擇。
• 功耗：由封裝和散熱條件決定，需根據具體情況進行計算和設計。
• 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。

最大功耗計算

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

封裝功耗 (P{D}) 由靜態功耗和負載驅動功耗組成。在不同的負載條件下，(P{D}) 的計算公式有所不同。例如，當負載 (R{L}) 參考到電源中點時，(P{D}=[V{S} × I{S}]+[(V{S} / 2) × (V{OUT } / R{L})]-[V{OUT }^{2} / R_{L}]) 。

在實際應用中，需要考慮負載的均方根輸出電壓。如果 (R{L}) 參考到 (V{s -}) ，則需根據具體情況進行計算。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。但在高速運放的設計中，要注意最小化輸入引腳的寄生電容。

典型性能特性

通過一系列圖表展示了AD8038/AD8039在不同條件下的性能表現，如不同增益、負載電阻、電源電壓、電容負載等情況下的小信號和大信號頻率響應，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，以便在設計中做出合理的選擇。

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將DISABLE節點拉低至低于正電源軌4.5 V來禁用放大器，將其拉高至大于 ((V_{s}-2.5)) V來啟用放大器。禁用后，靜態電流可從1 mA降低到0.2 mA。

電源旁路

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

接地

在密集的PCB板中，接地平面層對于分散電流、最小化寄生電感非常重要。要了解電流在電路中的流動路徑，因為電流路徑的長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產生不必要的電壓噪聲。高頻旁路電容的引腳長度至關重要，旁路接地中的寄生電感會抵消旁路電容產生的低阻抗。負載電流也從電源流出，因此負載阻抗的接地應與旁路電容的接地在同一物理位置。對于用于低頻的較大值電容，電流返回路徑的距離不太關鍵。

輸入電容

高速放大器對輸入與地之間的寄生電容敏感，幾皮法的電容會降低高頻輸入阻抗，增加放大器的增益，導致頻率響應出現峰值，甚至可能引起振蕩。建議將連接到輸入引腳的外部無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導致頻率響應出現峰值，可通過兩種方法來減小這種影響：一是在輸出端串聯一個小阻值電阻，將負載電容與放大器的輸出級隔離；二是通過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的電阻和電容來增加一個極點。

輸入輸出耦合

輸入和輸出信號走線不應平行，以最小化輸入和輸出之間的電容耦合，避免正反饋。

應用信息

低功耗ADC驅動

對于低功耗、高性能的ADC，如AD9203，AD8039是合適的驅動放大器。在低電源電壓應用中，可使用AD8039制作直流耦合的單端到差分驅動器，以增加ADC輸入的動態范圍，減少二階和其他偶次失真產物。通過合理配置運算放大器的增益，可使輸出信號的共模電壓與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

在處理數字源復合視頻信號時，可能會存在時鐘饋通問題，影響圖像質量。傳統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，功耗僅為傳統有源濾波器的五分之一。通過使用一個單RC極點和一個標準的2極點有源部分組成的三極點Sallen - Key濾波器，可有效抑制時鐘分量，提高視頻質量。

外形尺寸和訂購指南

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，方便工程師進行電路板布局設計。同時，還給出了詳細的訂購指南，列出了不同型號、溫度范圍、封裝描述、封裝選項和品牌標識，方便工程師根據實際需求進行選擇。

AD8038/AD8039以其低功耗、高速、低噪聲等優異特性，在眾多應用領域具有廣闊的應用前景。但在設計過程中，工程師需要根據具體的應用場景和要求，合理選擇放大器的參數和布局方式，以充分發揮其性能優勢。大家在實際應用中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享交流。