超低失真高速放大器AD8007/AD8008的技術剖析與應用指南

在電子工程師的設計生涯中，放大器的選擇至關重要，它直接影響著整個電路的性能。今天我們就來深入探討Analog Devices公司的超低失真高速放大器AD8007/AD8008，看看它們在性能、應用以及設計方面有哪些獨特之處。

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器件概述

AD8007為單通道放大器，AD8008為雙通道放大器，它們均為高性能電流反饋放大器，具備超低失真和低噪聲的特性。與其他高性能放大器不同的是，它們價格低廉且靜態(tài)電流低，這使得它們能夠在廣泛的應用領域中發(fā)揮作用。這兩款放大器采用了Analog Devices專有的第二代eXtra - Fast Complementary Bipolar（XFCB）工藝，實現(xiàn)了高性能與低功耗的完美結合。

性能特點

低失真

• 諧波失真極低：在5MHz時，AD8007的二次諧波為 - 88dBc，三次諧波為 - 101dBc；在20MHz時，AD8007的二次諧波為 - 83dBc，AD8008的二次諧波為 - 77dBc，AD8007的三次諧波為 - 92dBc，AD8008的三次諧波為 - 98dBc。如此低的諧波失真，為對信號質量要求極高的應用提供了有力保障。

  高速性能

• 帶寬寬： - 3dB帶寬可達650MHz（G = + 1），能夠滿足高頻信號處理的需求。
• 壓擺率高：壓擺率達到1000V/μs，可快速響應輸入信號的變化，減少信號失真。

  低噪聲

• 輸入電壓噪聲低：輸入電壓噪聲僅為2.7nV/√Hz，有效降低了噪聲對信號的干擾。
• 輸入電流噪聲低：反相輸入電流噪聲為22.5pA/√Hz，進一步提高了信號的純凈度。

  低功耗

• 供電電流小：每個放大器的典型供電電流為9mA，降低了系統(tǒng)的功耗。

  寬電源電壓范圍

• 適應多種電源：電源電壓范圍為5V至12V，可根據不同的應用場景靈活選擇電源。

  小封裝

• 節(jié)省空間：提供8引腳SOIC、8引腳MSOP和5引腳SC70等多種小封裝形式，適合對空間要求較高的設計。

應用領域

• 儀器儀表：可用于高精度測量儀器，提供低失真、低噪聲的信號放大。
• 中頻和基帶放大器：在通信系統(tǒng)中，用于中頻和基帶信號的放大處理。
• 濾波器：作為濾波器的前置或后置放大器，提高濾波器的性能。
• A/D驅動器：為模數(shù)轉換器提供高質量的輸入信號。
• DAC緩沖器：用于數(shù)模轉換器的輸出緩沖，提高輸出信號的驅動能力。

工作原理

AD8007/AD8008是電流反饋放大器，其簡化原理圖類似于經典的電流反饋放大器，由互補發(fā)射極跟隨器輸入級、一對信號鏡和菱形輸出級組成。為了提高失真性能，對經典拓撲進行了改進：

• 低失真高精度信號鏡：用低失真、高精度的信號鏡M1和M2取代了傳統(tǒng)的信號鏡，減少了由電容CJ1和CJ2引起的高度非線性失真。
• 輸出失真補償：通過感應輸出級的電壓不平衡，產生補償電流IDO，注入電路以減少輸出級產生的失真。
• 輸入失真補償：感應輸入級的非線性電壓不平衡，注入電流IDI以補償輸入產生的失真。
• 對稱設計：設計和布局嚴格上下對稱，以最小化偶次諧波的產生。

使用注意事項

低失真電源去耦

去耦設計對于低失真性能至關重要。不建議將高頻電源去耦電容返回至物理上分離（可能距離較遠）的接地端，因為這會導致偶次諧波性能下降。推薦的做法是將兩個高頻去耦電容先在一個公共節(jié)點連接，然后通過單一連接返回至接地平面，這樣可以確保返回接地平面的電流僅為基頻電流。

布局和接地

• 接地平面：在高密度印刷電路板中，接地平面層對于最小化寄生電感非常重要。要理解電路中電流的流向，盡量縮短電流路徑長度，以降低寄生電感和高頻阻抗。
• 輸入電容：高速放大器對輸入與接地之間的寄生電容較為敏感。即使是1pF或2pF的電容，也會在高頻時降低輸入阻抗，增加放大器增益，導致頻率響應出現(xiàn)峰值甚至振蕩。因此，應將連接到輸入引腳的外部無源組件盡可能靠近輸入引腳放置，并確保接地和電源平面與輸入引腳在電路板各層保持至少0.05mm的距離。
• 輸出電容：輸出端的寄生電容會導致頻率響應出現(xiàn)峰值?？梢酝ㄟ^在輸出端串聯(lián)一個小阻值電阻來隔離負載電容，或者通過增加放大器增益或反饋電阻值來增加相位裕度，以減少其影響。
• 輸入 - 輸出耦合：為了最小化電容耦合，輸入和輸出信號走線不應平行，以減少不必要的正反饋。
• 外部組件和穩(wěn)定性：AD8007/AD8008是電流反饋放大器，反饋電阻在很大程度上決定了帶寬和穩(wěn)定性。增益、負載阻抗、電源電壓和輸入阻抗也會產生影響。表4給出了優(yōu)化帶寬且峰值最小的推薦RF和RG值。在驅動具有電容分量的負載時，在輸出端使用串聯(lián)緩沖電阻RSNUB可以提高穩(wěn)定性。對于同相配置，當增益為1時，需要在輸入端串聯(lián)一個電阻RS來優(yōu)化穩(wěn)定性。

規(guī)格參數(shù)

文檔中詳細列出了AD8007/AD8008在不同條件下的各項規(guī)格參數(shù)，包括動態(tài)性能（如帶寬、過載恢復時間、壓擺率、建立時間等）、噪聲/諧波性能（如二次諧波、三次諧波、互調失真等）、直流性能（如輸入失調電壓、輸入失調電壓漂移等）以及電源性能（如電源電壓范圍、靜態(tài)電流、電源抑制比等）。這些參數(shù)為工程師在設計電路時提供了準確的參考依據。

最大功耗和絕對最大額定值

最大功耗

AD8007/AD8008封裝的最大安全功耗受芯片結溫升高的限制。塑料封裝局部會達到結溫，當溫度接近150°C（玻璃化轉變溫度）時，塑料的性能會發(fā)生變化，即使暫時超過該溫度限制也可能改變封裝對芯片施加的應力，導致參數(shù)性能永久偏移。長時間超過175°C的結溫可能會導致硅器件發(fā)生變化，甚至導致器件失效。結溫可通過公式(T{J}=T{A}+(P{D}×theta{JA}))計算，其中(T{A})為環(huán)境溫度，(P{D})為封裝總功耗，(theta{JA})為封裝和PCB的靜態(tài)空氣熱阻。封裝總功耗(P{D})為靜態(tài)功耗與所有輸出負載驅動功耗之和。

絕對最大額定值

包括電源電壓、功耗、共模輸入電壓、差分輸入電壓、輸出短路持續(xù)時間、存儲溫度范圍、工作溫度范圍和引腳焊接溫度等。超過這些額定值可能會對器件造成永久性損壞，在設計時必須嚴格遵守。

總結

AD8007/AD8008超低失真高速放大器以其卓越的性能、廣泛的應用領域和靈活的設計特點，成為電子工程師在信號放大設計中的理想選擇。在使用過程中，工程師需要充分理解其工作原理和性能特點，注意布局和接地等設計細節(jié)，以確保放大器在實際應用中發(fā)揮最佳性能。大家在實際設計中有沒有遇到過類似放大器的應用難題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。