运放AD797使用经验分享

前些日子一直在设计我的HIFI WAV播放器的DAC部分时，正好手头有几颗AD797想用上，有感于器件的应用，特此匆匆写了此文希望与广大爱好者交流下心得。
AD797是AnalogDevice公司出品的一颗超低噪音低失真单运放，性能出众。有着0.9nV√Hz@1KHz的超低噪音，-120db@20KHz的超低失真，以及80uV的输入失调电压。优异的性能指标得到了广大爱好者的追捧，它的音质也备受好评。然而如此优秀的运放，真的就是包治百病的万灵丹，真的就立竿见影，使音响脱胎换骨吗？答案当然是否定的，再好的器件也是需要有一定的应用限制，离开了电路的整体，单单谈论单一器件本身是意义不大的。大家都喜欢用AD797，但是您真的了解它，用好它了吗？也许您忽视了一些重要的细节，这里就一些问题与大家就技术问题做个探讨，为了更好地说明问题，就让AD797与OPA604来个PK吧。（这里不去谈论什么听感不听感的，仅就技术细节做分析）
首先让我们先来看看它的部分指标吧（都摘自其官方的DATASHEET文档）


datasheet相信每个人在运用器件之前应该仔仔细细地阅读过，这里摆出来做个对照。
第一个问题：神话中的AD797真的就能做到超低噪音输出吗？
做对比的时候大家估计首先就会对比他们在1KHz下的 Input Voltage Noise，在这里AD797是0.9nV√Hz，而OPA604是10nV√Hz，看起来似乎明显是AD797胜利了。没错！，不过实际应用起来果真如此吗，下面就搭一个常用的10倍正向放大电路看看。



做一下噪声仿真分析：

说明下，图示的纵轴是电路Vout端总的输出噪声真有效值电压(Vrms)，横轴是频率带宽。
为什么呢？为什么呢？为什么在一模一样的应用环境下号称超低噪声的AD797的输出噪声电压竟然比普通的OPA604还要高一倍还要多呢？！（这里不用怀疑仿真软件问题，仿真软件都是采用官方提供SPICE模型来的，国外专业的电子工程师都是先进行仿真后才会进入下一阶段工作，仿真出来的结果跟真实的值是很接近的！）


要知道为什么就首先要知道输出噪声电压是怎么来的。
1、  信号源Vin的内阻Rin，这个内阻相当于是串联在一个理想的内阻为0的信号源上的（通常情况下信号源内阻不会是0）。我们知道只要是电阻，不管你什么极品发烧电阻还是普通电阻，就都有本底热噪声并且这个值是随着电阻值以及带宽的增加而增加的，计算公式为
vn=0.126.(r*b)
这里的R单位是KB，B是频率带宽，单位KHZ，Vn的单位是uVrms

2、  反馈网络R1//R2的并联电阻所固有的本底热噪声。
3、  运放的输入噪声电压En，计算方法是：(以AD797为例)
Von= 0.9nV√Hz * 10倍 * √1MHZ(带宽) = 9uVrms而这里OPA604要高10倍，达到90uVrms了。说道这里仅从运放的输入噪声电压来说AD797确实是低的，不过对于应用电路来说这个还不算是最主要矛盾啊，关键还有下面2个计算
4、  终于到问题的根了，这里有个很重要而往往倍忽视的指标，输入噪声电流（input current noise）In，看看PDF，AD797是2pA√Hz ，而OPA604只有6fA√Hz（fA是pA的千分之一），相差了300多倍啊！。
这个噪声电流会流过信号源内阻Rin，以及反馈网络电阻R1//R2，从而产生噪声电压计算公式是In*R。
把以上的五项分别的噪声电压值的平方和开根号，再乘以放大倍数以及带宽就得出了总的输出噪声电压的真有效值（对于噪声来说谈论真有效值才比较有意义）
现在知道电路总的输出噪声电压怎么来的了吧，再分析下上面的AD797和OPA604的PK，问题的关键就在与AD797的输入电流噪声实在是不小了（比NE5534还要大），这个电流与信号源内阻与反馈网络电阻相作用，导致了AD797最终的噪音要远远大于OPA604了。
现在把反馈电阻R1、R2调整为1K、9K再看看

上图，在反馈电阻降低10倍的情况下电路噪音都减小了，AD797在信号源内阻为0的情况下噪音为45uVrms，要低于OPA604的62uVrms了，不过，当信号源内阻为10K欧的情况下AD797的噪声上升到了220uVrms左右，而OPA604则依旧维持较低62uVrms左右不变。可见AD797的低噪声特性只适用在信号源内阻小于1K的情况才能体现。
因此由上面的分析可以推导出结论，如果要真正发挥AD797的低噪音特性，就必须有2个条件，一个是信号源内阻必须尽量小！另一个就是反馈网络的电阻值尽量小！所以，一定要注意运放的应用条件，先做个分析再确定该使用何种器件。


第二个问题：不是80uV的输入失调电压吗，为什么我的输出失调电压这么大？！
经常会遇到有人问这样的问题，搭了一个放大电路，却发现输出直流偏移却离自己的设想相差很远。还是拿上面那个10倍正向放大电路来计算吧
首先为了便于计算假定信号源内阻为0欧

看到了吧，一模一样的工作环境可是AD797的输出直流电位竟然高达118mV！很吃惊吧，不用怀疑您的AD797是假货，先仔细分析下吧。
看PDF的时候大家一定首先注意一个指标Input Offset Voltage（Vos），AD797是25uV,而OPA604典型值高达1mV。那么这个输入失调电压就是全部吗？当然不是，这是个重要指标但是大家往往却忽略了一个更重要的指标就是输入失调电流Input Offset Current(Ios)以及输入偏置电流Input Bias Current（Ib）。对于AD797：Ib=0.25uA~1.5uA Ios=0.1~0.4uA；而OPA604分别只有100pA和正负4pA，这里造成这么大直流偏移的最关键因素正式这输入偏置电流！
图中由于信号源内阻为0欧，因此正负输入端的电位都是0V，没有电流流过R1，因此偏置电流Ib流过R2产生了压降加在了Vout输出端上，偏移电压大致=Ib * R2，假定最大Ib=1.5uA则输出直流电位=1.5uA*90k=145mV之巨了！
另外以上是不考虑信号源内阻（相当于输入端对地短路）的情况，实际上电路接入系统中后由于信号源内阻的变化，同样输出的直流电位也会发生相应变化，这些都是可以计算出来的，稍微麻烦点，可以直接用仿真软件仿真来评估来得更轻松些。
以上仅仅肤浅地分析了噪音和直流偏移电位两个方面，这个对于其他运放都是具有普遍意义的，尤其是双极型运放要特别引起注意，相对来将最方便还是用FET运放了，不大会出什么问题，不过就是FET运放的温度特性和精密性不如双极型运放。现在已经有新型的所谓超β三极管做输入的运放出现，很好地解决了双极型运放输入阻抗低，输入电流及输入电流噪声大等这些问题。关于AD797还有更多的讲究，在它的DATASHEET上有详细说明。