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1、极低偏置电流运算放大器AD5491 概述AD549是具有极低输入偏置电流的单片电路静电计型运算放大器。为达到高精度的目的，输入偏置电压和输入偏置电压漂移均通过激光调节。这种极低输入电流性能由ADI公司专有的topgate 工艺技术完成。该技术可以制造与具有极低输入电流的JFET 并与双极性电路隔离的集成运放。输入级具有1015 的共模阻抗，其输入电流与共模电压无关。AD549适用于低输入电流和低输入偏置电压的场合。它特别适合用作各种电流输出的传感器， 如光电二极管、 光电倍增管以及氧气传感器等的前置放大器。 该产品也可用作精密积分器或低衰减采样保持器。 AD549 的封装与标准 FET 和静电
2、计运算放大器兼容，因此用户花少量成本即可对系统升级，提高已有系统的性能。AD549 有 TO-99 密封封装。金属外壳与 8 管脚相连，使得金属外壳与同样电压的输入终端独立连接，达到降低外壳泄漏的目的。AD549 具有四种性能等级。其中 J、K 和 L 型号的温度范围是 0到 70。 S 型号专用于军事，其温度范围： -55 到 125。AD549的输入电流在整个共模输入电压范围内都得到保证，其输入失调电压和漂移由激光分别调节到0.25mV 和 5 V/ ( AD549K ) ；1mV 和 20 V/ ( AD549J ) 。 700 A 的最大静态电流使输入电流和偏置电压的热效应降到最低。模
3、拟性能包括1MHz的均匀增益带宽和 3V/ s的压摆率。当输入为10V 时，建立时间是5s 到 0.01%。2 AD549 的引脚及特性参数图一所示是AD549 的引脚图，表一所示是其特性参数。图一AD549 引脚图参数输入偏置电流共模输入， V CM =0V共模输入， V CM =±10V 共模输入 TMAX ，V CM =0V 失调电流表一AD549的主要特性AD549JAD549KAD549LAD549S单位最小典型最大最小典型最大最小典型最大最小典型最大15025075100406075100fA15025075100406075100fA114.22.8420pA50302
4、030fATMAX 处失调电流2.21.30.85125pA输入失调电压失调0.51.00.150.250.30.50.30.5mVTMAX 处失调电压1.90.40.92.0mV受温度的影响1020255101015 V/ 受电源的影响32100103210321032V/VTMIN T MAX ,受电源影响32100103210323250V/V长时间失调稳定性15151515 V/month输入电压噪声f=0.1Hz 10Hz44644 Vp-pf=10Hz90909090nV/f=100Hz60606060nV/f=1kHz35353535nV/f=10kHz35353535nV/输入
5、电流噪声f=0.1Hz 10Hz0.70.50.360.5fA rmsf=10kHz0.220.160.110.16fA/输入阻抗差模 VDFF =±110131101311013 110131 pF共模 V CM =±101015 0.81015 0.81015 0.81015 0.8 pF开环增益V 0±10V,RL=10k 3001000300100030010003001000V/mVV 0±10V,RL=10k ,TMIN /T MAX300800300800300800300800V/mVV 0= ±10V,RL =10k 1002
6、50100250100250100250V/mVV 0= ±10V,RL =10k ,TMIN /T MAX80200802008020025150V/mV输入电压范围差模电压± 20±20± 20±20V共模电压-10+10-10+10-10+10-10+10V共模抑制比V=+10V ,-10V8090901009010090100dBTMIN /T MAX7680809080908090dB输出性能电压RL =10k ，TMIN /T MAX-12+12-12+12-1212-12+12V电压R L=2k ，TMIN /T MAX-10+1
7、0-10+10-10+10-10+10V短路电流152035152035152035152035mATMIN /T MAX9996mA负载电容稳定性 G=+14000400040004000pF频率响应单位增益，小信号0.71.00.71.00.71.00.71.0MHz全功率响应50505050kHz压摆率23232323V/ s建立时间， 0.1%4.54.54.54.5 s建立时间， 0.01%5555 s过载恢复， 50%，G=-12222 s电源供给额定性能±15±15±15±15V工作± 5±18 ±5±
8、;18 ±5± 18±5±18V静态电流0.600.700.600.700.600 .700.600.70mA温度范围工作，额定性能0+700+700+70-55+70存储-65+150-65+150-65+150-65+150封装选择TO-99(H-08A) 芯片AD549JHAD549KHAD549LHAD549SH/883B3AD549的工作原理3.1最小化输入电流AD549具有很小的输入电流和失调电压。在实际应用中应谨慎考虑如何使用放大器可以减小输入电流。为减小输入电流，该放大器的工作温度应尽可能低。像其他JFET输入放大器一样，AD549的输入
9、电流对芯片温度很敏感，上升斜率因子为每10的2.3。图二所示为AS549不同环境温度时的输入电流。图二环境温度对输入偏置电流的影响芯片电源损耗使工作温度上升，从而导致输入偏置电流上升。由于AD549 具有极低的静态供应电流， 当放大器工作在15V 时，芯片温度不会比环境温度高出3。这种情况下输入电流的差异可以忽略。但大输出负载可引起芯片温度和输入电流的显著增加，因此建议最小负载阻抗不小于10。3.2电路板设计注意事项很多原因会产生伪电流，从而降低电流测量的精度。在放大器信号和电源线之间应有大于1015 的绝缘阻抗，以获得低输入电流。然而标准的 PCB材料不具备如此高的绝缘阻抗， 因此输入线应与
10、具有足够大电阻系数的绝缘材料相连。为保持其电阻系数，绝缘体的表面应保持干净。选择绝缘材料时，除了大容量和高表面电阻系数，还要考虑其他性能。由于表面水膜层会大大减小绝缘性， 防止吸水也很重要。 同样需要考虑的因素还有压电效应 （机械压力产生电子激发）和静电效应（摩擦产生电子） 。由于这些机理产生的电子不平衡将表现为寄生泄漏电流。用通过输入电压偏压的金属导体包围输入线有两个好处： 一是由于金属导体和输入线之间的电压很小， 因此信号线的寄生漏电减小。 二是输入点的分布电容减小。 输入电容可显著地降低信号带宽和电流 / 电压转换器的稳定性。使 8 管脚封装处于 AD549 输入电压附近，从而减小封装泄
11、漏和输入共模电容。图三、图四为反向放大器和同相放大器的保护电路图。图三反向放大器的保护电路图图四同向放大器的保护电路图其他保护措施还包括： 使电线布局紧凑， 减小输入线的长度。 所有精密的高阻抗电路都需要屏蔽干扰噪声。使用低噪声共轴和三轴电缆以尽量隔离输入信号线。3.3失调电压的补偿AD549的输入失调电压可通过平衡管脚1 和 5 来调整，见图五。用这种方式补偿输入失调电压将引入一个附加的输入失调电压漂移，大小为每毫伏2.4 V/ 。 AD549K、 AD549L和 AD549J的最大附加漂移分别是 0.6 V/ 、 1.2 V/ 和 2.4 V/ 。图六所示方法可用于放大器用作反向器的场合。
12、这种方法在放大器负输入终端和电源间引入一个参考电压。 放大器的输入失调电压漂移不受影响。 但电源电压的波动将引起失调电压漂移。图五标准失调电压补偿电路图六用作反向器时的失调电压补偿电路3.4高内阻信号源和高反馈阻抗的交流响应电源和反馈阻抗大于100k 时，输入电容的影响放大了电路的交流特性。由于电路带宽和稳定性互相影响，应考虑共模和差分输入电容产生的影响。在随后级， 电源阻抗和单极输入共模电容把带宽限制在?RSCS。把器件的金属外壳和管脚 8 与输出相连可减小电容的影响。AD549共模输入电容的典型值是0.8pF 。在反相放大器的结构中，差分输入电容形成环路传递函数的一极，并导致响应的过冲和不
13、稳定。可用一个反馈电容稳定电路。AD549差模输入电容的典型值是1pF。3.5共模输入电压过载额定共模输入电压范围是小于正电源电压3V 到大于负电源电压5V。超过这个范围将降低放大器的共模抑制比。共模电压高于正电源电压将导致放大器输出级饱和。当输入恢复到正常值范围内后，典型的恢复时间为2 s。输入共模电压在负电源电压1V 内将导致输出信号相位翻转。这种情况下，在输入电压回到正常值范围后0.5 s 内运放恢复正常工作。3.6差模输入电压过载图七所示为不同差模输入电压下AD549的的输入电流。 差模电压在1V 到 1.5V 内时，两端输入电流在几百fA 内。超出此范围，输入电流在30A 内。图七不
14、同差模输入电压下的输入电流3.7输入保护AD549可以轻易处理供给电压范围内的任何输入电压。在没有保护的情况下，输入端电压超过电源供给电压会损坏器件，造成输入电流漂移或偏置电压漂移。图八所示是放大器用作反相器时的保护电路图。 RP 将瞬时过电压产生的电流限制在 1mA 以内（持续时间小于 1 秒），或连续电流小于 100 A。由于 RP 处在反馈电路中，并且远小于放大器输入阻抗值， 因此不会影响反相器的直流增益。 但电阻器的热噪声增加了放大器的输入噪声。在 AD549 用作跟随器的保护电路中（图九） ，正输入端的和电容引入 ? RC的极点。同样， RP 的热噪声增大了放大器的输入电压噪声。如图
15、十所示为 AD549用作反相器并具有输入钳位电压的电路图。 钳位二极管与反相输入端相连，减小超过钳位的电压值。由于二极管电流低，还可减小漏电流。应使用低渗漏二极管如 FD333并防止照射以防止光电流产生。 即使采取这些措施， 二极管的输入电流和电容仍会有所增加。图八有输入电流限制的反相放大器图九有输入电流限制的跟随器图十具有输入钳位的反相放大器4 应用电路4.1漏电流的采样和测量有很多方法， 如电流积分和直接将电流转换为电压，可测量微弱的漏电流。无论哪种方法，为准确测量都应考虑电路板和连线的整洁、绝缘材料的选择、保护技术和布线排版。图十一是采样和差动电路。电路包括两个AD549静电计放大器用作
16、电流电压转换器，和10（满量程10pA）。CC和 CF 用作抑制噪声和闭环补偿。CC应是一个低渗漏的聚苯乙烯电容。测量时使用极低渗漏的Kel-F 测试插座连接器件。使用硬性Teflon共轴电缆达到高阻抗的目的，还可以避免机械振动引起的误差，为外部导体起防护作用。整个电路用接地金属外壳屏蔽。图十一测量微弱输入电流的采样差动放大电路校准时待测器件不应接入。上电后，需要5 分钟的稳定时间。首先测量是电流电压转换器的偏置电压和漏电流产生的误差电压。VERR1=10(V OSA-I BA× RSa)VERR1和VERR2。这VERR2=10(V OSB-IBB× RSb)将这些误差从
17、测量状态下的读数中减去。在测量时，放大器B 除提供电流电压转换外，还形成反馈闭环。仪器的偏置误差呈现共模信号，不影响测量结果。因此，测量到的只有仪器的漏电流。VA-V ERR1=10RSa×I B(+)VX-V ERR2=10RSa×I B(-)尽管一系列的测量仅需要一次校准，为补偿电流电压转换器的温度漂移和周围环境的变化，还应定时校准为好。实验结果显示，当仪器正确使用时，可实现10fA 内的可重复性测量。这个结果的一部分由于电路设计消除了高阻抗信号线的传递和其他寄生渗漏路径，一部分由于校准和测量过程消除了误差。4.2光电二极管接口AD549具有低输入电流和低输入补偿电压，
18、因此适合作为非常敏感的光电二极管的前置放大器 （见图十二）。光电二极管的信号电流IS=R× P，其中： P 是照射在二极管表面的光亮度，单位 W ， R 是光电二极管响应率，单位A / W 。 RF 将信号电流转换成输出电压：V OUT =RF× IS。输入电流 I B 产生输入电压误差V E1： V E1 I B× RF。运算放大器的输入电压补偿通过光电二极管分流电阻RS 产生误差电流：I V OS× RS。这个误差电流将在放大器输出级产生一个误差电压 V E2E2FSOS：V（1R / R）V。对于给定典型值的光电二极管分流电阻，特别当反馈阻抗很大的
19、时候，RF/ RS 远大于1。并且 RF/ RS 随温度增加。应使用低补偿电压和低漂移的运算放大器使之保持精确。AD549K可用于非常敏感的场合， 其最大补偿电压为：0.25mV ，漂移： 5mV/ 。图十二光电二极管前置放大器图十三光电二极管前置放大器直流误差源光电二极管前置放大器噪声噪声限制了前置放大器的信号分辨率。 反馈阻抗产生的输出电压噪声是可检测的最小电流信号。光电二极管的响应率产生的这个最小可探测电流表征了可被前置放大器检测到最小光亮度。噪声源与光电二极管、 放大器和反馈电阻的连接见图十四。图十五所示是光谱密度在不同频率点处噪声源对输出电压噪声的贡献（电路参数如图十三所示）。每个噪
20、声源对输出电压总噪声的贡献（ rms）是对光谱密度函数平方在频率上的积分。输出电压噪声的rms 值是所有贡献的平方根。减小曲线下的总面积可以在给定带宽内提高偏置前置放大器的分辨率。光电二极管前置放大器（图十二）在分辨率 0.5A / W ，转换为 52fWrms 最小可探测电源下，可以检测带宽 16Hz， 26fArms的信号电流。这个光电二极管具有高电源阻抗和低耦合电容。 CF 和 RF 一起决定了信号带宽，也限制了运算放大器输入电压噪声增益的峰值。放大器输出的单极滤波器将运算放大器输出电压噪声带宽限制在26Hz，与信号带宽匹配。这样极大提高了前置放大器的信噪比。图十四光电二级管偏置放大器噪
21、声源图十五不同频率下光电二级管前置放大器噪声源密度谱对数放大器对数电路在处理动态范围很宽的信号时很有用。AD549L 的 60fA 最大输入电流可得到输入电流范围10pA 1mA ，动态范围为160dB 下、精度为1%的对数放大性能。如图十六所示对数放大器，输出电压与输入电流I1 和 I2 的对数成比例。电阻R1、 R2 提供电压输入。由于NPN 器件用在前置放大器的闭环回路里构成对数函数，输出只与正极输入电压和输入电流有关。输入电流决定匹配电阻Q1、 Q2 的集成器电流IC1、 IC2 ，从而决定电压 VA 、VB ：VA,VB= (kT/q)lnIC/IES其中 IES 是晶体管饱和电流。
22、图十六对数比例放大器VA,VBVC与的差值由减法器获得：VC=(kT/q)lnIC/IES。(R9+R10)/R8成比例，室温下大约等于16。因此，输出电压：V OUT =1× log(IC2/IC1)VR8 的温度系数是。3500ppmm/ ，用来提供温度补偿。并联电阻R15和R7可保持减法器增益以使正负极输入匹配。R11、R12、C1 和C2 提供频率补偿。输入信号大于50A时电路带宽是300kHz 。信号减小时，带宽平稳减小。调整电路时，先使输入电流为 10A 。使用放大器的调整分压计调整 A3 的便宜，使输出为 0。再把 I1 定为 1A ，调整 R10 使输出为 1V 。
23、A1 和 A2 的附加偏移调整可提高电压输入精度和动态范围。AD549的极低输入电流使电路适用于很宽的的信号电流。总输入电流是放大器输入电流、补偿电容的漏电（使用聚苯乙烯和聚四氟乙烯电容时不可忽略）、双边对数晶体管一极的集流器之间、 集流器与地的漏电的总和。这些漏电决定了电路的精度。这些漏电的量级取决于放大器输入失调电压。当偏移电压为10mV 时，其值小于10fA 。最小分辨率主要受放大器输入电流限制，AD549L 的精度最多只有60fA 。输入电流大于100 A 时，发射极电阻Q1 和 Q2 的作用将降低电路的精度。R13、D1 、R16、R14、D2 和 R17 组成的电路补偿这些误差，使
24、误差在输入电流为1mA 时小于 1%。R13和 R14 的大小取决于使用的对数晶体管的类型。LM394 的晶体管电阻约为49.9k。更小的对数增益应使用更小的电阻值。4.3温度补偿pH 探测放大器pH 电极可等效为一个 mV 量级的电压源和一个串连电阻（取决于电极的成分和结构） 。标准 pH 电极的阻抗在 106 和 109 之间。因此选择具有足够低输入电流的放大器很重要，保证放大器输入偏置电流在电极阻抗产生的压降不会成为测量的显著误差。图十七所示电路中 AD549 用作一个pH 探测放大器。图十七温度补偿pH 探测放大器像其他静电计放大器应用一样，必须使用保护环，屏蔽之类技术以保证AD549
25、 的低输入电流。以AD549L 为例，其最大输入电流为60fA 。如果 ph 电极电源阻抗大于109，输入电流产生的误差小于60 V。输入失调电压可补偿，小于0.5mV。无论温度多少， pH 值为 7 时，ph 探测器的输入值是0V。可预测探测器转换函数的斜率受温度影响（ 0时 -54.2mV/pH,100 时 -74.04mV/pH ），可用 AD590温度传感器和AD535 模拟除法器为pH 探测放大器提供精确的温度补偿电路。AD549的放大器增益是13.51 。100时 AD590电路的输出（ C点处）是 10V，系数为 26.8mV/ 。 AD535模拟除法器的输出（ D 点处）是温度补偿了的电压输出， ph 值为 7 时其中心值为 0V，转换函数是 -1.00V/pH 。输出范围从 -7.00V （ pH 14）到 +7.00V （ pH0）。5 结束语本文介绍 ADI 公司生产的极低偏置电流运算放大器AD549 ，它具有低失调电压、低失调漂移、低功耗、低输入电压噪声等特点。文中介绍了AD549 的技术性能和工作原理及其应用电路，可为AD549 在其它高精度测量中提供很高的借鉴价值。