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测量运算放大器的输入电容
接线图
2025年02月15日 13:02 21
admin
MOS 输入运算放大器在放大电容传感器输出或来自高阻抗源的小信号时需要最小的输入电容。
输入电容还会影响反馈路径中的极点，从而导致高增益、高频应用不稳定。通过最小化该输入电容，您可以增加相应的极点频率，直到它对电路的影响可以忽略不计。
然而，测量运算放大器的输入电容并非易事。特别是当该值只有几个皮法时。如此低的值也给生产测试期间筛选运算放大器带来了困难。因此，半导体公司通常使用模拟结果和对一些已知良好设备的基准测量仅提供该参数的典型值。以下讨论可以帮助系统级设计人员或 QA 工程师准确确定任何运算放大器的输入电容，从而在实验室中提供健全性检查。
在万用表上直接观察输入电容的方法在几纳法以下是不切实际的。一个简单而有效的替代方案是插入一个与运算放大器输入串联的大电阻（图 1）。
图 1：与运算放大器输入串联的电阻器可以测量运算放大器的输入电容。
在网络分析仪上绘制所得一阶低通 RC 滤波器的频率响应（即波特图）可让您计算运算放大器的输入电容。听起来很简单，但您必须遵循预防措施，以确保测量精度不会受到 PC 板 (PCB) 和测试设置中的杂散电容的影响。
请遵循以下提示以最大限度地减少杂散寄生：
仅使用低电容 FET 探头即可提高测量分辨率（如果串联电阻是表面贴装元件，请确保电路板对地电容尽可能低。 （这意味着输入信号走线和串联电阻下方没有接地层。）
如果串联电阻是通孔元件，请弯曲输入引脚，使其不接触 PCB 板，并使用短引线将电阻直接焊接到运算放大器输入引脚。
请勿在测试设置中使用面包板，因为面包板走线和跳线之间的电容会降低测量精度。
在输入端使用短走线以最小化串联电感。
建议用于此测试设置的硬件（图 2）包括 Agilent 4395A 网络分析仪、Mini-Circuits ZFRSC-2050 功率分配器和 Tektronix P6245 有源 FET 探头。
首先，在 PCB 上未安装运算放大器的情况下校准设置。根据生成的伯德图，您可以按照公式 1计算杂散电容：
其中，f 1 (-3 db) 是在未安装运算放大器的网络分析仪上测得的转角频率，R TH1 是戴维南等效串联电阻。 R TH1 是插入的串联电阻、输入终端电阻 (50Ω) 和功率分配器处的源阻抗 (50Ω) 的函数，公式 2：
测量运算放大器的输入电容
其中，f 2 (-3 db) 是在安装了运算放大器的频谱分析仪上测得的转角频率，R TH2 是戴维宁等效串联电阻。
运算放大器的输入共模阻抗尚不清楚。然而，对于 CMOS 输入运算放大器，选择 R SERIES CM相当容易。那么 R TH2 ≈ R TH1，方程 3 可以重写为方程 5
图3 显示了图2中使用200 kΩ串联电阻且PCB上未安装运算放大器的幅度响应，图4 显示了安装了MAX4238的幅度响应。
图 3：图 2 中的幅度响应，其中 R SERIES = 200 kΩ，且 PCB 上未安装运算放大器。 f 1 (-3dB) 频率由向下的箭头指示。
图 4：图 2 中的幅度响应，其中 R SERIES = 200 kΩ 且安装了 MAX4238 运算放大器。 f 2 (-3dB) 频率由向下的箭头指示。
表 1 使用频率响应波形以及公式 1 和 5 的计算结果总结了结果。作为合理性检查，使用不同的串联电阻值重复测量，以证明 获得了类似的结果 ( 4pF)。
输入电容还会影响反馈路径中的极点，从而导致高增益、高频应用不稳定。通过最小化该输入电容，您可以增加相应的极点频率，直到它对电路的影响可以忽略不计。
然而，测量运算放大器的输入电容并非易事。特别是当该值只有几个皮法时。如此低的值也给生产测试期间筛选运算放大器带来了困难。因此，半导体公司通常使用模拟结果和对一些已知良好设备的基准测量仅提供该参数的典型值。以下讨论可以帮助系统级设计人员或 QA 工程师准确确定任何运算放大器的输入电容，从而在实验室中提供健全性检查。
在万用表上直接观察输入电容的方法在几纳法以下是不切实际的。一个简单而有效的替代方案是插入一个与运算放大器输入串联的大电阻（图 1）。
图 1：与运算放大器输入串联的电阻器可以测量运算放大器的输入电容。在网络分析仪上绘制所得一阶低通 RC 滤波器的频率响应（即波特图）可让您计算运算放大器的输入电容。听起来很简单，但您必须遵循预防措施，以确保测量精度不会受到 PC 板 (PCB) 和测试设置中的杂散电容的影响。
请遵循以下提示以最大限度地减少杂散寄生：
仅使用低电容 FET 探头即可提高测量分辨率（如果串联电阻是表面贴装元件，请确保电路板对地电容尽可能低。 （这意味着输入信号走线和串联电阻下方没有接地层。）
如果串联电阻是通孔元件，请弯曲输入引脚，使其不接触 PCB 板，并使用短引线将电阻直接焊接到运算放大器输入引脚。
请勿在测试设置中使用面包板，因为面包板走线和跳线之间的电容会降低测量精度。
在输入端使用短走线以最小化串联电感。
建议用于此测试设置的硬件（图 2）包括 Agilent 4395A 网络分析仪、Mini-Circuits ZFRSC-2050 功率分配器和 Tektronix P6245 有源 FET 探头。
首先，在 PCB 上未安装运算放大器的情况下校准设置。根据生成的伯德图，您可以按照公式 1计算杂散电容：
其中，f 1 (-3 db) 是在未安装运算放大器的网络分析仪上测得的转角频率，R TH1 是戴维南等效串联电阻。 R TH1 是插入的串联电阻、输入终端电阻 (50Ω) 和功率分配器处的源阻抗 (50Ω) 的函数，公式 2：测量运算放大器的输入电容
接下来，将运算放大器安装到 PCB 上。由于电路板的杂散电容与运算放大器的输入电容并联，因此公式 1 变为公式 3：
其中，f 2 (-3 db) 是在安装了运算放大器的频谱分析仪上测得的转角频率，R TH2 是戴维宁等效串联电阻。
该戴维南等效电阻是插入的串联电阻、输入终端电阻 (50Ω)、功率分配器的输出阻抗 (50Ω) 以及运算放大器的共模输入阻抗的函数，公式 4：
运算放大器的输入共模阻抗尚不清楚。然而，对于 CMOS 输入运算放大器，选择 R SERIES CM相当容易。那么 R TH2 ≈ R TH1，方程 3 可以重写为方程 5
现在，您可以根据公式 1 和公式 5 计算运算放大器的输入电容，并通过使用两个不同值的串联电阻重复实验来验证该值。
为了说明该方法，请考虑 MAX4238 运算放大器的输入电容测量。图3 显示了图2中使用200 kΩ串联电阻且PCB上未安装运算放大器的幅度响应，图4 显示了安装了MAX4238的幅度响应。
图 3：图 2 中的幅度响应，其中 R SERIES = 200 kΩ，且 PCB 上未安装运算放大器。 f 1 (-3dB) 频率由向下的箭头指示。 图 4：图 2 中的幅度响应，其中 R SERIES = 200 kΩ 且安装了 MAX4238 运算放大器。 f 2 (-3dB) 频率由向下的箭头指示。表 1 使用频率响应波形以及公式 1 和 5 的计算结果总结了结果。作为合理性检查，使用不同的串联电阻值重复测量，以证明 获得了类似的结果 ( 4pF)。
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