測量運算放大器的輸入電容

煙霧探測器、光電二極管跨阻放大器、醫(yī)療儀器儀表、工業(yè)控制系統(tǒng)和壓電傳感器接口等應用需要具有低輸入電容的運算放大器。例如，CMOS輸入運算放大器在放大電容傳感器輸出或來自高阻抗源的小信號時需要最小的輸入電容。輸入電容還會影響反饋路徑中的極點，這可能導致高增益、高頻應用中的不穩(wěn)定。通過最小化此輸入電容，您可以增加相應的極點頻率，直到它對電路的影響可以忽略不計。

測量運算放大器的輸入電容并非易事，特別是當該值只有幾皮法時。如此低的值也給在生產(chǎn)測試期間篩選運算放大器帶來了困難。因此，半導體公司通常只提供該參數(shù)的典型值，使用仿真結(jié)果和對幾個已知良好單元的臺架測量。以下討論可以幫助系統(tǒng)級設計人員或QA工程師準確確定任何運算放大器的輸入電容，從而在實驗室中提供健全性檢查。

在萬用表上觀察輸入電容的直接方法在幾納法以下是不切實際的。一種簡單而有效的替代方法是插入一個與運算放大器輸入串聯(lián)的大電阻（圖 1）。在網(wǎng)絡分析儀上繪制所得一階低通RC濾波器的頻率響應（即波特圖）可以計算運算放大器的輸入電容。聽起來很簡單，但您必須采取預防措施，以確保測量精度不會受到印刷電路板和測試設置中雜散電容的影響。

圖1.與運算放大器輸入串聯(lián)的電阻可以測量運算放大器的輸入電容。

請遵循以下提示以最大程度地減少雜散寄生效應： 僅使用低電容 FET 探頭 （< 1pF），例如泰克 P6245，提高測量分辨率。如果串聯(lián)電阻是表面貼裝元件，請確保電路板對地電容盡可能低。這意味著輸入信號走線和串聯(lián)電阻下方?jīng)]有接地層。如果串聯(lián)電阻是通孔元件，則彎曲輸入引腳，使其不接觸PCB，并使用較短的引線長度將電阻直接焊接到運算放大器輸入引腳。請勿在測試設置中使用試驗板，因為試驗板軌道和跳線之間的電容會降低測量精度。在輸入端使用短走線以最小化串聯(lián)電感。?

此測試設置推薦的硬件（圖 2）包括安捷倫 4395A 網(wǎng)絡分析儀、微型電路 ZFRSC-2050 功率分配器和泰克 P6245 有源 FET 探頭。

圖2.用于測量MAX4238運算放大器輸入電容的測試設置

首先，校準PCB上未安裝運算放大器的設置。根據(jù)得到的波特圖，您可以將雜散電容計算為

其中 f1（-3dB） 是在未安裝運算放大器的網(wǎng)絡分析儀上測量的轉(zhuǎn)折頻率，RTH1是戴維寧等效級數(shù)電阻。RTH1是插入的串聯(lián)電阻、輸入端接電阻 （50Ω） 和功率分配器源阻抗 （50Ω） 的函數(shù)：

RTH1 = RSERIES + (50||50)

接下來，在PCB上安裝運算放大器。由于電路板的雜散電容與運算放大器的輸入電容并聯(lián)，公式1變?yōu)?/p>

其中 f2（-3dB） 是在安裝了運算放大器的頻譜分析儀上測量的轉(zhuǎn)折頻率，RTH2是戴維寧等效級數(shù)電阻。該戴維寧等效電阻是插入串聯(lián)電阻、輸入端接電阻（50Ω）、功率分配器的輸出阻抗（50Ω）和運算放大器共模輸入阻抗的函數(shù)：

RTH2 = (RSERIES + (50||50))||RCM米

運算放大器的輸入共模阻抗無法準確知道。然而，對于CMOS輸入運算放大器，選擇R相當容易。系列<<·厘米.然后 RTH2≈·TH1，公式 3 可以改寫為

現(xiàn)在，您可以從公式1和公式4中計算運算放大器的輸入電容，并通過使用兩個不同的串聯(lián)電阻值重復實驗來驗證該值。

為了說明該方法，考慮MAX4238運算放大器的輸入電容測量。圖3所示為使用200kΩ串聯(lián)電阻且PCB上未安裝運算放大器時的圖2幅度響應，圖4所示為安裝MAX4238時的幅度響應。

圖3.圖2的幅度響應，R系列= 200kΩ，PCB上未安裝運算放大器。該 f1（-3dB） 頻率由向下箭頭指示。

圖4.圖2的幅度響應，R系列= 200kΩ，安裝MAX4238運算放大器。該 f2（-3dB） 頻率由向下箭頭指示。

表1總結(jié)了使用頻率響應波形和公式1和4計算的結(jié)果。作為健全性檢查，使用不同的串聯(lián)電阻值重復測量，以證明獲得類似的結(jié)果（≈4pF）。

審核編輯：郭婷