低功耗高速电压反馈放大器AD8039：特性、应用与设计要点

低功耗高速电压反馈放大器AD8038/AD8039：特性、应用与设计要点

在电子设计领域，放大器的性能直接影响着整个系统的表现。今天要和大家分享的是Analog Devices公司的AD8038和AD8039放大器，它们以其低功耗、高速等特性，在众多应用场景中表现出色。

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产品概述

AD8038为单放大器，AD8039为双放大器，它们均属于高速（350 MHz）电压反馈放大器，典型静态电流仅为1.0 mA/放大器（最大1.5 mA）。AD8038的8引脚SOIC封装还具备禁用功能，能有效降低功耗。这两款放大器虽功耗低、成本低，但整体性能优异，拥有425 V/μs的高转换速率和最大3 mV的低输入失调电压。

它们的供电范围宽，为3 V至12 V，且采用了小封装形式，如8引脚SOIC、5引脚SC70和8引脚SOT - 23，适用于对空间和功耗要求较高的应用场景。

关键特性

电气性能

• 低功耗：每放大器静态电流仅1 mA，在电池供电设备中优势明显，可延长设备续航时间。
• 高速性能：-3 dB带宽达350 MHz（G = +1），转换速率为425 V/μs，能快速响应输入信号变化，适用于高频信号处理。
• 低噪声：在100 kHz时，电压噪声为8 nV/√Hz，电流噪声为600 fA/√Hz，可有效减少信号干扰，提高信号质量。
• 低输入偏置电流：最大750 nA，降低了输入信号的误差，提高了放大器的精度。
• 低失真：在1 MHz时SFDR为 - 90 dB，5 MHz时为 - 65 dB，能保证信号的高保真度。

其他特性

• 宽供电范围：3 V至12 V的供电范围，增加了放大器在不同电源系统中的适用性。
• 小封装形式：多种小封装选择，方便在空间受限的电路板上布局。

应用场景

电池供电仪器

由于其低功耗特性，AD8038/AD8039非常适合用于电池供电的仪器设备。在这些设备中，功耗是一个关键因素，低功耗可以延长电池的使用时间，减少频繁更换电池的麻烦。例如，一些便携式的测量仪器，如手持示波器、便携式万用表等，都可以使用这两款放大器来提高设备的性能和续航能力。

滤波器

在滤波器设计中，AD8038/AD8039的高速性能和低噪声特性使其能够有效地处理高频信号。例如，在音频滤波器中，可以利用它们的低失真特性来保证音频信号的高保真度；在视频滤波器中，它们的高速响应能力可以处理高速变化的视频信号，减少信号的失真和干扰。

A/D驱动

AD8038/AD8039可以作为A/D转换器的驱动放大器，为其提供稳定的输入信号。在低电源电压应用中，它们可以实现单端到差分的转换，增加ADC输入的动态范围，减少二阶和其他偶次失真产物。例如，在数据采集系统中，将AD8039与AD9203 ADC配合使用，可以提高系统的采样精度和性能。

电平转换和缓冲

在电路中，常常需要进行电平转换和信号缓冲。AD8038/AD8039可以很好地完成这些任务，它们能够提供稳定的输出信号，保证信号在传输过程中的准确性和稳定性。

光电倍增管

光电倍增管需要一个高性能的放大器来处理其输出的微弱信号。AD8038/AD8039的低噪声和高增益特性使其成为光电倍增管应用的理想选择，可以有效地放大微弱信号，提高检测的灵敏度。

规格参数

动态性能

• -3 dB带宽：在不同增益和输出电压条件下有不同表现，如G = +1，Vo = 0.5Vp - p时为350 MHz。
• 转换速率：高达425 V/μs，能快速响应信号变化。
• 过驱动恢复时间和建立时间：过驱动恢复时间短，建立时间快，可保证信号的快速稳定。

直流性能

• 输入失调电压：最大3 mV，保证了输入信号的准确性。
• 输入偏置电流：最大750 nA，减少了输入信号的误差。
• 开环增益：较高的开环增益，提高了放大器的放大能力。

输入输出特性

• 输入电阻和电容：输入电阻为10 MΩ，输入电容为2 pF，对输入信号的影响较小。
• 输入共模电压范围：较宽的输入共模电压范围，增加了放大器的适用性。
• 输出电压摆幅和电容负载驱动能力：输出电压摆幅大，能驱动一定的电容负载。

电源特性

• 工作范围：3 V至12 V的宽供电范围。
• 静态电流：每放大器典型静态电流为1.0 mA，最大1.5 mA。
• 电源抑制比：较高的电源抑制比，能有效减少电源噪声的影响。

功耗禁用特性

AD8038的8引脚SOIC封装具有禁用功能，可将静态电流从1 mA降低到0.2 mA，在不使用放大器时降低功耗。

绝对最大额定值

• 电源电压：最大12.6 V，使用时需注意电源电压的选择。
• 功耗：由封装和散热条件决定，需根据具体情况进行计算和设计。
• 输入电压：共模输入电压为±VS，差模输入电压为±4 V。
• 温度范围：存储温度范围为 - 65°C至 + 125°C，工作温度范围为 - 40°C至 + 85°C。

最大功耗计算

放大器的最大安全功耗受管芯结温上升的限制。结温可通过公式 (T{J}=T{A}+(P{D} × theta{J A})) 计算，其中 (T{A}) 为环境温度，(P{D}) 为封装功耗，(theta_{J A}) 为热阻。

封装功耗 (P{D}) 由静态功耗和负载驱动功耗组成。在不同的负载条件下，(P{D}) 的计算公式有所不同。例如，当负载 (R{L}) 参考到电源中点时，(P{D}=[V{S} × I{S}]+[(V{S} / 2) × (V{OUT } / R{L})]-[V{OUT }^{2} / R_{L}]) 。

在实际应用中，需要考虑负载的均方根输出电压。如果 (R{L}) 参考到 (V{s -}) ，则需根据具体情况进行计算。此外，气流可以增加散热，有效降低热阻；更多的金属接触可以减少热阻。但在高速运放的设计中，要注意最小化输入引脚的寄生电容。

典型性能特性

通过一系列图表展示了AD8038/AD8039在不同条件下的性能表现，如不同增益、负载电阻、电源电压、电容负载等情况下的小信号和大信号频率响应，以及谐波失真、噪声等特性。这些图表可以帮助工程师更好地了解放大器的性能，以便在设计中做出合理的选择。

布局、接地和旁路考虑

禁用功能

AD8038的8引脚SOIC封装的禁用功能可通过将DISABLE节点拉低至低于正电源轨4.5 V来禁用放大器，将其拉高至大于 ((V_{s}-2.5)) V来启用放大器。禁用后，静态电流可从1 mA降低到0.2 mA。

电源旁路

电源引脚需要提供无噪声、稳定的直流电压。旁路电容的作用是在所有频率下创建从电源到地的低阻抗路径，以分流或过滤大部分噪声。通常采用并联电容的方式来最小化旁路阻抗，0.01 μF或0.001 μF（X7R或NPO）的贴片电容应尽可能靠近放大器封装放置，而较大的0.1 μF电容可在同一信号路径中的几个紧密排列的有源组件之间共享，10 μF钽电容在大多数情况下每块电路板只需一个，放置在电源输入处。

接地

在密集的PCB板中，接地平面层对于分散电流、最小化寄生电感非常重要。要了解电流在电路中的流动路径，因为电流路径的长度与寄生电感的大小成正比，高频电流在电感接地回路中会产生不必要的电压噪声。高频旁路电容的引脚长度至关重要，旁路接地中的寄生电感会抵消旁路电容产生的低阻抗。负载电流也从电源流出，因此负载阻抗的接地应与旁路电容的接地在同一物理位置。对于用于低频的较大值电容，电流返回路径的距离不太关键。

输入电容

高速放大器对输入与地之间的寄生电容敏感，几皮法的电容会降低高频输入阻抗，增加放大器的增益，导致频率响应出现峰值，甚至可能引起振荡。建议将连接到输入引脚的外部无源组件尽可能靠近输入引脚放置，以避免寄生电容。电路板各层的接地和电源平面应与输入引脚保持至少0.05 mm的距离。

输出电容

输出端的寄生电容会导致频率响应出现峰值，可通过两种方法来减小这种影响：一是在输出端串联一个小阻值电阻，将负载电容与放大器的输出级隔离；二是通过更高的噪声增益增加相位裕度，或在 - IN与输出之间添加并联的电阻和电容来增加一个极点。

输入输出耦合

输入和输出信号走线不应平行，以最小化输入和输出之间的电容耦合，避免正反馈。

应用信息

低功耗ADC驱动

对于低功耗、高性能的ADC，如AD9203，AD8039是合适的驱动放大器。在低电源电压应用中，可使用AD8039制作直流耦合的单端到差分驱动器，以增加ADC输入的动态范围，减少二阶和其他偶次失真产物。通过合理配置运算放大器的增益，可使输出信号的共模电压与ADC的中电源电压匹配，从而提高ADC的性能。

低功耗有源视频滤波器

在处理数字源复合视频信号时，可能会存在时钟馈通问题，影响图像质量。传统的有源滤波器功耗较高，而AD8038可用于制作低功耗的有源低通滤波器，功耗仅为传统有源滤波器的五分之一。通过使用一个单RC极点和一个标准的2极点有源部分组成的三极点Sallen - Key滤波器，可有效抑制时钟分量，提高视频质量。

外形尺寸和订购指南

文档提供了AD8038/AD8039不同封装的外形尺寸图，包括8引脚SOIC、5引脚SC70和8引脚SOT - 23封装，方便工程师进行电路板布局设计。同时，还给出了详细的订购指南，列出了不同型号、温度范围、封装描述、封装选项和品牌标识，方便工程师根据实际需求进行选择。

AD8038/AD8039以其低功耗、高速、低噪声等优异特性，在众多应用领域具有广阔的应用前景。但在设计过程中，工程师需要根据具体的应用场景和要求，合理选择放大器的参数和布局方式，以充分发挥其性能优势。大家在实际应用中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。