低電壓高精度低噪聲運算放大器AD8656／AD8655及其應用

AD8656／AD8655是一種電壓反饋、軌一軌輸入輸出的精密CMOS放大器。AD8656是AD8655的雙放大器版本，它們采用+2.7～+5.5 V低電源電壓供電，并具有很好的低噪聲性能，因此非常適用于各種工業(yè)、通信、消費類和醫(yī)學設備。由于AD8656／AD8655采用了ADI公司的DigiTrim封裝內數(shù)字微調技術，因此無需依靠系統(tǒng)調節(jié)便可達到高精度的要求。AD8656／AD8655具有低失真和快速建立時間等特性，能驅動諸如AD7685這樣的高精度模數(shù)轉換器，以滿足工業(yè)和儀器儀表（比如數(shù)據(jù)采集和測試設備系統(tǒng)）應用中的高精度需要。AD8656／AD8655在很多音頻設備中都能發(fā)揮其性能優(yōu)勢（比如話筒前置放大和混合音響等）。該放大器的低噪聲、低失真和高輸出電流能力能減弱系統(tǒng)噪聲，保證音頻的保真度，從而改善音頻設備的性能。AD8656／AD8655的高精度和軌一軌輸入輸出特點特別適合應用在數(shù)據(jù)采集、工程控制和PLL濾波器中。

1 AD8656／AD8655的特點和功能

AD8656／AD8655具有以下主要特點：

◇低燥聲：10 kHz處可提供的低電壓噪聲譜密度；

◇低失調電壓：滿共模電壓（VCM）范圍內可提供250μV的精密失調電壓最大值；

◇失調電壓漂移典型值為0.4 μV／℃，最大值為2.3μV／℃；

◇帶寬為28 MHz；

◇具有滿電源擺幅（R-R）輸入和輸出能力；

◇工作電壓為+2.7～+5.5 V；

◇溫度范圍為-40℃～+125℃。

AD8656／AD8655的引腳排列如圖1所示，其管腳功能見表1所列。

2 AD8656／AD8655的工作原理

AD8656／AD8655是一種精密CMOS放大器，可采用+2.7～+5.5 V低電源電壓供電。該放大器運用了AD公司的DigiTrim技術，故可達到很高的精度水平。DigiTrim是一種封裝內數(shù)字微調技術，這種封裝內數(shù)字微調的優(yōu)點是能校正流水線生產過程中的機械應力產生的偏移電壓。

AD8656／AD8655采用常規(guī)引腳排列方式，能夠很方便地替代以往的同類放大器。該放大器的輸入級是真正的軌一軌結構，這一結構使該放大器的輸入共模電壓范圍可達到、甚至超出了正、負供電電源的范圍。AD8656／AD8655在負載為10kΩ時的標準開環(huán)增益是110 dB。

3 外部電路

3.1 輸入過壓保護

AD8656／AD8655內含保護回路，可在每個放大器的輸入端電壓高于規(guī)定值0.3 V以上時應用電阻進行限流，以保證輸入電流不超過5 mA。

　　AD8656／AD8655具有極低的輸入偏置電流，可以使用較大的電阻在輸入端得到更高的電壓。但使用大電阻會增加放大器總的輸出電壓噪聲。比如，在室溫環(huán)境中，一個10 kΩ的電阻可能會產生的熱噪聲和10 nV的誤差電壓。

3.2 輸入電容

除了適當?shù)呐月泛徒拥赝猓咚俜糯笃鲗Φ睾洼斎攵酥g的分布電容的變化也很敏感。在接有阻抗反饋的電路中，電路中的電容（包括電源電容，輸入引腳的吸收電容和放大器輸入電容）會使電路產生噪聲增益，這時可以用電容與電阻的并聯(lián)電路來保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在利用反饋電容抑制二階系統(tǒng)諧振峰峰值的大小時，電路的噪聲增益是由高頻信號的頻率和頻響尖峰決定的。輸入高頻信號時，幾皮法大小的電容接在輸入端就會導致輸入阻抗減小，并使放大器增益增大，從而引起電路產生自激振蕩。因此，使用AD8656／AD8655時，為了減小附加極點。保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，應從輸出端直接引入反饋到輸入端，并選用大于200 pF的容性負載。

3.3 驅動電容負載

雖然AD8656／AD8655能夠驅動大到500 pF的電容而不產生振蕩。但當輸入信號頻率大于100kHz時，它會產生振鈴。尤其是在單位增益放大的情況下，最容易產生振鈴。因此，當需要使用較大電容時，推薦使用外部補償?shù)姆椒▉頊p小過沖，以把振鈴降到最低，從而改善AD8656／AD8655驅動較大容性負載時的穩(wěn)定性，其補償電路如圖2所示。設計時可以用普通的RC網(wǎng)絡來組成一種簡單的補償電路。合適地運用這一電路不但可以保持輸出信號的振幅，穩(wěn)定放大器的增益，還可以減弱不止30％的過沖，并可以清除振鈴。但是，需要注意地是，使用補償電路并不能彌補由大容性負載引起的帶寬變窄。

3.4 諧波誤差和共模電壓

當AD8656／AD8655的負載為l kΩ時，其總諧波失真低于0.0007％。這一失真是電路結構、供電電壓、版面布局和其它諸因素共同引起的。圖3所示是一種諧波誤差測試電路。

4 應用電路

4.1 D／A轉換器的輸出運放電路

圖4是用AD8656組成的四象限乘法電路。該電路中，模數(shù)轉換器AD5544的輸出電流通過一片AD8656來實現(xiàn)兩級放大，從而減少了制版面積。電路中的基準電壓源AD588可提供10 V基準電壓。以用于補償運放的輸入偏置。兩級放大電路的總增益為2，其輸出電壓VOUT可達到20 V（-10～+10 V）。整個電路具有四象限乘法功能。

4.2 膜片鉗放大器的探頭放大電路

AD8656／AD8655的一系列特性使它能夠在微小信號檢測中發(fā)揮其獨有的優(yōu)勢。膜片鉗技術是記錄通過離子通道的離子電流來反映細胞膜上單一的（或多數(shù)的）離子通道分子活動的技術。其原理圖如圖5所示。

該細胞膜離子通道電流只有pA級，所以只有采用像AD8656／AD8655這樣高精度、低功耗、低電源電壓供電、具有極低偏置電流以及極小失調電壓的放大器，才能保證檢測的真正實現(xiàn)。圖6是以AD8655為例的應用電路。該電路用AD8655作為膜片鉗放大器的探頭放大器來對細胞膜離子通道電流進行監(jiān)測。并通過R1、R2、R3組成的星形網(wǎng)絡（相當于圖4中的Rf）作為反饋電阻來實現(xiàn)電流信號的放大，這要比使用單純的一個GΩ量級的反饋電阻要好。在放大倍數(shù)與單個GΩ量級反饋電阻相當?shù)那闆r下，該電路中的R3只要20MΩ即可。這樣，該電路可以在不損失放大倍數(shù)的前提下大大減少電阻的熱噪聲。