如何測量運算放大器的輸入電容以盡可能降低噪聲

在測量運算放大器輸入電容時，應關注哪些方面？

必須確保測量精度不受PCB或測試裝置的雜散電容和電感影響。您可以通過使用低電容探頭、在PCB上使用短連接線，并且避免在信號走線下大面積鋪地來盡可能規(guī)避這些問題。

運算放大器被廣泛用于各種電子電路中。它們用于小電壓的放大，以進一步執(zhí)行信號處理。煙霧探測器、光電二極管跨阻放大器、醫(yī)療器械，甚至工業(yè)控制系統(tǒng)等應用都需要盡可能低的運算放大器輸入電容，因為這會影響噪聲增益（Noise Gain），進而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，特別是具有高頻率和高增益的系統(tǒng)。

為了盡可能提高相應電路的精度，我們需要知道運算放大器的輸入電容的大小。但是，數(shù)據(jù)手冊中通常不提供這一信息，所以需要單獨確定。這可能很困難，因為在許多情況下，輸入電容都只有幾pF。

表1列出了幾個不同的運算放大器示例，及其各自的輸入電容值。

表1.不同的運算放大器及其輸入電容值

如何確定輸入電容

圖1顯示了確定運算放大器輸入電容的一種簡單方法，即增加一個電阻，與運算放大器輸入串聯(lián)(R_SERIES)。這會形成一階低通濾波器，其頻率響應可由網(wǎng)絡分析儀進行記錄。我們可以根據(jù)頻率響應計算出輸入電容。電阻R_SERIES一般在10 kΩ至100 kΩ之間。

圖1.在運算放大器輸入端增加串聯(lián)電阻之后，可以測量運算放大器的輸入電容。

在記錄頻率響應時，必須確保測量精度不受PCB或測試設備的雜散電容和雜散電感影響。

為提高測量分辨率，應盡可能降低雜散電容。建議使用低電容(<1 pF) FET探頭。

PCB對地電容應盡可能低，這可以通過確保信號走線和串聯(lián)電阻下方?jīng)]有接地層來實現(xiàn)。

此外，應使用盡可能短的線路和（電阻）引線，以規(guī)避額外的誤差源，例如串聯(lián)電感和寄生電感。

圖2顯示一種可能的測試配置，其中包含網(wǎng)絡分析儀和功率分配器。

圖2.用于確定運算放大器輸入電容的測試設置。

功率分配器負責分割信號。信號1:1原樣饋送至網(wǎng)絡分析儀的輸入端，在通過插入的低通濾波器之后，到達運算放大器的輸入端。然后，網(wǎng)絡分析儀根據(jù)這兩個信號之間的差值產(chǎn)生頻率響應。

要進行測量，需要確定雜散電容C_STRAY。首先，對沒有安裝運算放大器的電路板應用該信號進行測量。根據(jù)得到的波特圖，使用公式1計算C_STRAY：

f₁(–3 dB)是使用網(wǎng)絡分析儀，在不帶運算放大器時測量得出的–3 dB轉角頻率，R_TH1與插入的串聯(lián)電阻(R_SERIES)、輸入端接電阻(50 Ω)和功率分配器（Thévenin同等產(chǎn)品）的50 Ω源阻抗成函數(shù)關系：

然后，將運算放大器安裝到PCB上。

由于PCB的雜散電容與運算放大器的輸入電容并聯(lián)，所以在公式1中加入C_IN，如公式3所示：

其中，f₂(–3 dB)是使用網(wǎng)絡分析儀，在帶有運算放大器時測量得出的–3 dB轉角頻率，R_TH2與插入的串聯(lián)電阻、輸入端接電阻(50 Ω)、功率分配器的輸出電阻(50 Ω)，以及運算放大器(R_CM)的共模輸入阻抗成函數(shù)關系：

一般來說，對于具有CMOS輸入的運算放大器，R_SERIES<< R_CM。所以，R_TH2≈ R_TH1，公式3可以改寫成公式5：

然后，可以使用公式1和公式5確定運算放大器的輸入電容。

結論

運算放大器的輸入電容是很難測量的。它通常只有幾pF，并且測試設置中的寄生效應會扭曲測量結果。我們可以使用小型測試裝置，以及由網(wǎng)絡分析儀和功率分配器構成的適用測量設備輕松確定輸入電容：首先，確定雜散電容（測試設置中的誤差電容），然后，通過頻率響應確定運算放大器電路的組合電容（誤差電容和輸入電容）。根據(jù)上述公式，可以計算運算放大器的實際輸入電容。