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AD8099是一款超低噪声和失真的电压反馈运算放大器

2020-9-29 16:40:57  79 运算放大器
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特征
超低噪声:0.95nv/√Hz,2.6pa/√Hz;超低失真;二次谐波RL=1kΩ,G=+2;-92分贝,10兆赫;三次谐波RL=1kΩ,G=+2;-10兆赫时为105分贝;高速;增益带宽积(GBWP):3.8ghz;-3分贝带宽;700兆赫(G=+2);550兆赫(G=+10);回转率;475伏/微秒(G=+2);1350伏/微秒(克=+10);新比诺;自定义外部补偿,增益范围-1,+2至+10;供电电流:15毫安;偏移电压:最大0.5 mV;宽电源电压范围:5 V至12 V。
应用
前置放大器;接收器;仪表;过滤器;中频和基带放大器;模拟到数字驱动器;数模转换器(DAC)缓冲器;光学电子学。
一般说明
AD8099是一款超低噪声(0.95 nV/√Hz)和失真(10 MHz时为-92 dBc)的电压反馈运算放大器,两者的结合使其非常适合16位和18位系统。AD8099具有一个新的,高线性,低噪声的输入级,在低增益和高转换率下增加全功率带宽(FPBW)。模拟设备公司,专有的下一代超快互补双极(XFCB)工艺,使这种高性能放大器具有相对较低的功率。
AD8099具有外部补偿功能,允许用户设置增益带宽产品。外部补偿允许从+2到+10的增益,而带宽的折衷最小。AD8099还具有1350V/微秒的极高转换速率,使设计者能够灵活地使用整个动态范围,而不必牺牲带宽或失真。AD8099在18ns内沉降至0.1%,在50ns内从超速档恢复。
AD8099以突破性的性能水平驱动100Ω负载,供电电流仅为15毫安。AD8099具有宽的电源电压范围(5V至12V)、低偏移电压(0.1MV典型值)、宽的带宽(G=+2时为700MHz)和高达3.8GHz的GBWP,设计用于多种应用。
AD8099有一个3毫米×3毫米引线框架芯片级封装(LFCSP),带有一个新的引脚,专门为高性能、高速放大器优化。新的LFCSP和pinout实现了以前放大器无法实现的突破性性能。AD8099可在扩展的工业温度范围内工作,范围为-40°C至+125°C。


绝对最大额定值

大于或等于绝对最大额定值的应力可能会对产品造成永久性损坏。这仅是一个应力等级;不暗示产品在本规范操作部分所述条件或以上任何其他条件下的功能运行。超过最大运行条件的长时间运行可能会影响产品的可靠性。
最大功耗
AD8099封装的最大安全功耗受芯片上结温(TJ)的相关升高限制。局部封装模具的塑料达到连接温度。在大约150°C(即玻璃化转变温度)下,塑料会改变其性能。即使暂时超过此温度限制,也可能改变封装对模具的应力,永久改变AD8099的参数性能。长时间超过150°C的结温会导致硅器件的变化,可能导致失效。封装和PCB的静态空气热特性(θ)、环境温度(TA)和封装中的总功耗(PD)决定了芯片的结温。结温可以计算为:

封装中损耗的功率(PD)是静态功耗和由于所有输出的负载驱动而在封装中损耗的功率之和。静态电源是电源引脚(V)与静态电流(is)之间的电压。假设负载(RL)是指中负载,总驱动功率是VS/2×IOUT,其中一些在封装中消散,另一些在负载(VOUT×IOUT)中消散。总驱动功率和负载功率之间的差异是封装中耗散的驱动功率。


应考虑RMS输出电压。如果在单电源操作中,RL指的是VS-,则总驱动功率为VS×IOUT。如果均方根信号电平不确定,考虑最坏情况,当VOUT=VS/4时,RL至中供:

在RL参考VS-的单电源操作中,最坏情况是VOUT=VS/2。
气流增加散热,有效降低θJA。此外,更多的金属直接接触到封装导线,从金属痕迹,通孔,接地,和电源平面减少θJA。将暴露在外的叶片焊接到地平面上可显著降低包装的整体热阻。注意尽量减少高速运算放大器输入引线的寄生电容,如PCB布局部分所述。
图4显示了在jedec标准4层板上,封装中的最大安全功耗与暴露叶片(EPAD)SOIC-8(70°C/W)和LFCSP(70°C/W)的环境温度的关系。θ值是近似值。

典型性能特征
默认条件:VS=±5 V,TA=25°C,RL=1 kΩ,除非另有说明。参见图63至图66组件值和增益配置。

操作理论
AD8099是一个电压反馈运算放大器,采用了一个新的高度线性低噪声输入级。利用该输入级,AD8099可以在输入参考电压噪声小于1nv/√Hz的2v p-p,10mhz输出信号中获得优于90db的失真。这种噪声级和失真性能以前只能在完全无补偿放大器中实现。AD8099的增益低至+2,达到了这一性能水平。这个新的输入级还使可实现的转换率增加了三倍,用于可比较补偿的1nv/√Hz放大器。
简化的AD8099拓扑如图58所示。放大器是一个具有单位增益输出缓冲器的单增益级,采用模拟器件超快速互补双极(XFCB)工艺制作。AD8099具有85分贝的开环增益,并保持CMRR等精度指标,PSRR、Vos和△Vos/△T到通常与具有两个或更多增益级的拓扑相关联的水平。

AD8099可以通过使用RC网络从外部补偿到2的增益。以上增益15,无需外部补偿网络。为了实现AD8099的全增益带宽积,不应将任何PCB轨迹连接到外部补偿管脚或其附近,以获得尽可能低的电容。
外部补偿允许用户优化closedloop响应以获得最小峰值,同时在较高增益中增加增益带宽积,降低通常在较高增益中内部补偿部分更突出的失真误差。对于固定增益带宽,宽带失真产品通常会增加6分贝,从2到4的闭环增益。增加AD8099的增益带宽积,随着闭环增益的增加,消除了这种影响。
AD8099有SOIC和LFCSP两种型号,每种型号都有一个用于降低工作温度的热垫。为了避免这种板内布局,两个包在包的另一侧都有一个额外的输出管脚,以便于将反馈网络连接到输入端。次级输出引脚还隔离了输出和自感的封装和键合线从反馈回路。当使用次级输出作为反馈时,初级输出中的电感现在有助于将电容性负载与放大器的输出阻抗隔离开来。由于SOIC的输出电感较大,所以SOIC比LFCSP更能驱动电容性负载。在两个封装中使用主输出作为反馈,使得LFCSP比SOIC更好地驱动电容性负载。
LFCSP和SOIC引脚是相同的,除了所有引脚在LFCSP上逆时针旋转一个引脚。这将输入与负电源引脚隔离,消除了在驱动重载时最突出的相互感应合。因此,在驱动大负载时,LFCSP二次谐波明显优于SOIC。
AD8099上提供了一个三态输入引脚,用于高阻抗掉电和可选的输入偏置电流消除电路。高阻抗输出允许多个AD8099设备驱动相同的ADC或输出线时间间隔-离开。将禁用引脚拉低将激活高阻抗状态。阈值水平见表5。当禁用引脚保持浮动时,AD8099工作正常。当禁用引脚被拉到0.7V的正电源范围内时,一个可选的输入偏置电流消除电路被打开,从而将输入偏置电流降低到小于200Na。在这种模式下,用户可以用高直流源阻抗驱动AD8099,并且仍然保持最小的输出参考偏移,而不必使用阻抗匹配技术。此外,AD8099可以在设置高直流阻抗网络输入端的偏置点时进行交流耦合。输入偏置电流抵消电路使输入参考电流噪声加倍,但只要宽带阻抗保持较低,这种影响就最小(见图48和图51)。
一对内部连接的二极管限制AD8099的非垂直输入和反向输入之间的差分电压。每套二极管有两个串联二极管,反并联连接。这将输入端之间的差分电压限制在大约±1.8 V。所有AD8099引脚均采用ESD保护,电压限制二极管连接在两个轨道之间。保护二极管可处理5毫安的稳态电流。通过使用串联限制电阻器,电流应限制在5毫安或以下。
应用程序信息
使用AD8099
AD8099在低信号增益配置中提供无与伦比的噪声和失真性能。在低增益配置(小于15)中,AD8099需要外部补偿。所需的增益和性能的数量决定了补偿网络。
了解AD8099的微妙之处可以让用户了解如何精确地达到其最高性能。使用“应用程序信息”部分中显示的元件值和电路配置作为设计的起点。特定的电路应用程序规定了组件的最终配置和值。
电路元件
电路元件如图59所示,该图是AD8099的推荐非旋转电路示意图。典型部件值和性能数据见表4。

R和R—反馈电阻和增益设置电阻决定放大器的噪声增益;典型的R值范围为250Ω至499Ω。
C-在回路中产生零响应,以补偿由输入电容(包括杂散电容)和反馈电阻产生的极点,R.C有助于减少闭环响应中的高频峰值和振铃。这里使用的评估电路的典型范围是0.5 pF到1.5 pF。
R1该电阻终止放大器对信号源源电阻的输入,通常为50Ω。(这是特定于应用程序的,并不总是必需的。)
许多低增益配置的高速放大器要求将输入级端接成标称阻抗以保持稳定性。R值应保持在50Ω或更低,以保持低噪声性能。在更高的增益下,R可以被减少甚至消除。典型范围为0Ω至50Ω。
补偿电容器在相位下降的高频段降低开环增益。通过降低开环增益,相位裕度增加,放大器稳定。典型范围为0 pF至5 pF。C的值与增益有关。
R—封装的串联引线电感和补偿电容(C)构成串联谐振电路。R抑制这种共振并防止振荡。闭环增益为2时,R的建议值为50Ω。这个电阻在开环响应中引入一个零点,必须保持低电平,这样零点在更高的频率下出现。补偿网络的目的是降低开环增益。如果电阻变得太大,增益就降低到电阻值,而不一定是0Ω,这是单个电容器在频率上所做的。典型值范围为0Ω至50Ω。
C1为了降低R的阻抗,C1与R并联。C1不需要,但在低闭环增益下大大降低峰值。典型值范围为0 pF至2 pF。
C2和C3旁路电容器连接在提供最佳失真和PSRR性能。这些电容器应尽可能靠近放大器的电源引脚。对于C3和C5,应使用0508大小的箱子。0508外壳尺寸减少了电感和更好的频率响应。
C4和C2电解旁路电容器。
推荐值

电路配置
图60至图66显示了各种增益配置下AD8099的典型示意图。表4使用图60到图66所示的示意图收集数据。电阻R1,如图60至图66所示,是测试设备终端电阻。正常操作不需要R1,但为了完整起见,在示意图中显示了R1。



性能与组件值
各部件对AD8099频率响应的影响如图68至图73所示。在图68到图73中,所有的分量值都保持不变,除了所示的单个分量是可变的。例如,在RpeRFormance图(图69)中,除R外,所有部件均保持恒定,R的变化范围为0Ω至50Ω。图69清楚地表明,Rhas对AD8099的峰值和带宽有重大影响。



总输出噪声计算与设计
为了分析放大器电路的噪声性能,必须识别各个噪声源。然后,用户必须确定源是否对放大器的总体噪声性能有显著贡献。为了简化噪声计算,本数据表使用噪声谱密度而不是实际电压,以将带宽排除在表达式之外(噪声谱密度,通常以nV/√Hz表示,相当于1hz带宽中的噪声)。
图74所示的噪声模型有六个独立的噪声源:三个电阻器的约翰逊噪声、运放电压噪声和放大器每个输入端的电流噪声。每个噪声源对输出噪声都有自己的贡献。噪声通常被指定为参考输入(Rti),但通常更简单的是计算参考输出(RTO)的噪声,然后除以噪声增益来获得RTI噪声。
所有电阻的约翰逊噪声为√(4kBTR),其中k是玻尔兹曼常数(1.38×10−23j/k),T是绝对温度(Kelvin),B是带宽(Hz),R是电阻(ohms)。一个很容易记住的简单关系是,50Ω电阻在25°C时产生1 nV√Hz的约翰逊噪声。AD8099放大器的等效噪声与50Ω电阻大致相同。

在噪声敏感度至关重要的应用中,必须注意不要将其他重要噪声源引入放大器。每个电阻都是噪声源。注意设计、布局和组件选择对于保持低噪声性能至关重要。放大器和相关电阻器的噪声性能总结见表4。
输入偏置电流和直流偏移
在高噪声增益配置中,即使输入偏置电流和输入偏置电压较低,输出偏置电压的影响也可能很大。图75显示了一个综合偏移电压模型,该模型可用于确定放大器的参考输出(RTO)偏移电压或参考输入(RTI)偏移电压。

对于RTO计算,输入偏置电压和流过R3的偏置电流产生的电压乘以放大器的噪声增益。IB-到R2产生的电压与先前的偏移电压相加,得到最终输出偏移电压。通过将计算出的输出偏置电压除以噪声增益,偏置电压也可以被称为输入(RTI)。
如图75所示,如果IB+和IB-相同,R3等于R1和R2的并行组合,则RTI偏移电压可以降低到仅VOS。这是一种常用的降低输出偏置电压的方法。保持低电阻有助于减少偏移误差电压和保持低电压噪声。
禁用引脚和输入偏置消除
AD8099禁用引脚执行三个功能:启用、禁用和降低输入偏置电流。当禁用引脚被带到正电源的0.7V范围内时,输入偏置电流将减少大约60倍。然而,输入电流噪声加倍至5.2pa/√Hz。表5概述了禁用pin功能。


16位ADC驱动器
超低噪声和失真性能使AD8099成为理想的ADC驱动器。即使AD8099不是单位增益稳定的,它也可以配置为产生+1放大器的净增益,如图76所示。这是通过将+2的增益和-1的增益与+1的净增益相结合来实现的。ADC的输入范围为0 V至2.5 V。
表6显示了AD8099和AD7667(1 MSPS 16位ADC)的性能数据。

电路注意事项
优化AD8099的性能需要在电路板的布局和信号路由方面注意细节。电源旁路、寄生电容和元件选择都有助于放大器的整体性能。AD8099在LFCSP和SOIC封装的背面都有一个外露的挡板。暴露的桨叶提供了一个到地面的低热阻路径。为了获得最佳性能,将暴露的桨叶焊接到地平面上。
印刷电路板布局
补偿网络由放大器增益要求决定。对于较低的增益,布局和组件放置更为关键。对于更高的增益,补偿组件更少,这导致布局不太复杂。
Parasitics
补偿管脚周围的区域对寄生电容非常敏感。为了实现AD8099的全增益带宽积,应没有连接到外部补偿管脚或在其附近的最小可能电容的痕迹。当需要补偿时,补偿管脚、负电源和组件(图59中的C、C1和RC)之间的互连线应尽可能宽,以尽量减小电感。
AD8099引脚下的所有接地和电源平面应清除铜,以防止输入和输出引脚之间的寄生电容对地。由于没有清除AD8099管脚下的接地或电源平面,SOIC封装上的单个安装垫可向接地增加多达0.2pF的电容。寄生电容会导致峰值和不稳定,应尽量减少,以确保正常运行。
AD8099的新引脚减少了放大器输出和反向输入之间的距离。这有助于减小反馈路径的寄生电感和电容,从而减少振铃和二次谐波失真。
接地
如有可能,应使用地面和动力飞机。接地和电源平面降低了电源馈送和接地回路的电阻和电感。如果使用多个平面,则应将它们与多个过孔缝合在一起。输入端、输出端、旁路电容器和R的回路应尽可能靠近AD8099。接地过孔应放置在部件安装垫的最末端,以提供可靠的接地回路。输出负载接地和旁路电容接地应返回到接地平面上的公共点,以最小化寄生电感并提高失真性能。AD8099的包具有一个暴露的桨。为获得最佳性能,请将此桨叶焊接到地面。有关PCB布局和设计注意事项的更多信息,请参阅2002年模拟设备运放应用手册的第7-2节。
电源旁路
AD8099电源旁路已针对每个增益配置进行了优化,如电路配置部分的图60至图66所示。如有可能,应使用所示值。旁路对于稳定性、频率响应、失真和PSRR性能至关重要。图60至图66中所示的0.1μF电容器应尽可能靠近AD8099的电源引脚及其旁边的电解电容器。
组件选择
小于1206 SMT外壳尺寸的较小组件,提供较小的安装垫,具有较少的寄生性,并允许更紧凑的布局。为了获得最佳性能,必须使用高质量、精密公差(如关键)和低漂移组件。例如,在选择图60中使用的反馈电容器时,严格的公差和低漂移是至关重要的。图60中的反馈补偿电容为1.5 pF。该电容器应采用NPO材料。NPO材料通常在-55°C到+125°C的温度范围内有±30 ppm/℃的变化。对于100°C的变化,与X7R材料相比,这会导致4.5 fF的电容变化,这会导致0.23 pF的变化,与标称值相比变化15%。这会导致过度的峰值,如图71所示。
设计工具和技术支持
通过提供技术支持和在线设计工具,模拟设备致力于设计过程。模拟设备通过评估板、示例IC、spice模型、交互式评估工具、应用说明、电话和电子邮件支持提供技术支持,所有这些都可以在上获得。
外形尺寸



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