测量运算放大器的输入电容

烟雾探测器、光电二极管跨阻放大器、医疗仪器仪表、工业控制系统和压电传感器接口等应用需要具有低输入电容的运算放大器。例如，CMOS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，这可能导致高增益、高频应用中的不稳定。通过最小化此输入电容，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。

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皮法时。如此低的值也给在生产测试期间筛选运算放大器带来了困难。因此，半导体公司通常只提供该参数的典型值，使用仿真结果和对几个已知良好单元的台架测量。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。

在万用表上观察输入电容的直接方法在几纳法以下是不切实际的。一种简单而有效的替代方法是插入一个与运算放大器输入串联的大电阻（图 1）。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）可以计算运算放大器的输入电容。听起来很简单，但您必须采取预防措施，以确保测量精度不会受到印刷电路板和测试设置中杂散电容的影响。

图1.与运算放大器输入串联的电阻可以测量运算放大器的输入电容。

请遵循以下提示以最大程度地减少杂散寄生效应： 仅使用低电容 FET 探头 （< 1pF），例如泰克 P6245，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，则弯曲输入引脚，使其不接触PCB，并使用较短的引线长度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试验板，因为试验板轨道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。®

此测试设置推荐的硬件（图 2）包括安捷伦 4395A 网络分析仪、微型电路 ZFRSC-2050 功率分配器和泰克 P6245 有源 FET 探头。

图2.用于测量MAX4238运算放大器输入电容的测试设置

首先，校准PCB上未安装运算放大器的设置。根据得到的波特图，您可以将杂散电容计算为

其中 f1（-3dB） 是在未安装运算放大器的网络分析仪上测量的转折频率，RTH1是戴维宁等效级数电阻。RTH1是插入的串联电阻、输入端接电阻 （50Ω） 和功率分配器源阻抗 （50Ω） 的函数：

RTH1 = RSERIES + (50||50)

接下来，在PCB上安装运算放大器。由于电路板的杂散电容与运算放大器的输入电容并联，公式1变为

其中 f2（-3dB） 是在安装了运算放大器的频谱分析仪上测量的转折频率，RTH2是戴维宁等效级数电阻。该戴维宁等效电阻是插入串联电阻、输入端接电阻（50Ω）、功率分配器的输出阻抗（50Ω）和运算放大器共模输入阻抗的函数：

RTH2 = (RSERIES + (50||50))||RCM米

运算放大器的输入共模阻抗无法准确知道。然而，对于CMOS输入运算放大器，选择R相当容易。系列<<·厘米.然后 RTH2≈·TH1，公式 3 可以改写为

现在，您可以从公式1和公式4中计算运算放大器的输入电容，并通过使用两个不同的串联电阻值重复实验来验证该值。

为了说明该方法，考虑MAX4238运算放大器的输入电容测量。图3所示为使用200kΩ串联电阻且PCB上未安装运算放大器时的图2幅度响应，图4所示为安装MAX4238时的幅度响应。

图3.图2的幅度响应，R系列= 200kΩ，PCB上未安装运算放大器。该 f1（-3dB） 频率由向下箭头指示。

图4.图2的幅度响应，R系列= 200kΩ，安装MAX4238运算放大器。该 f2（-3dB） 频率由向下箭头指示。

表1总结了使用频率响应波形和公式1和4计算的结果。作为健全性检查，使用不同的串联电阻值重复测量，以证明获得类似的结果（≈4pF）。

 

RSERIES (kΩ)	f1(-3dB) (kHz)	f2(-3dB) (kHz)	CTEST SETUP (pF)	CIN (pF)
199.4	489.67	144.96	1.63	3.86
64.2	1475	471.5	1.68	3.62

 

审核编辑：郭婷