CN-0272 AD8065高性能、145MHzFASTFET™运算放大器 CircuitsfromtheLab™referencecircuitsareengineeredandtestedforquickandeasysystemintegrationtohelpsolvetoday’sanalog,mixed-signal,andRFdesignchallenges.Formoreinformationand/orsupport,visit/CN0272. AD8475AD9629-20 精密、可选增益、全差分漏斗放大器12位、20MSPS、1.8VADC ADR441 超低噪声LDOXFET®2.5V基准电压源，具有吸电流和源电流能力 具有暗电流补偿功能的2MHz带宽PIN光电二极管前置放大器 评估和设计支持 电路评估板CN-0272电路评估板(EVAL-CN0272-SDPZ)系统演示平台(EVAL-SDP-CB1Z) 设计和集成文件原理图、布局文件、物料清单 电路功能与优势 图1所示电路是一个高速光电二极管信号调理电路，具有暗电流补偿功能。
系统转换来自高速硅PIN光电二极管的电流，并驱动20MSPS模数转换器(ADC)的输入。
该器件组合可提供400nm至1050nm的频谱敏感度和49nA的光电流敏感度、91dB的动态范围以及2MHz的带宽。
信号调理电路采用±5V电源供电，功耗仅为40mA，适合便携式高速、高分辨率光强度应用，如脉搏血氧仪。
本电路还适合其它应用，如模拟光隔离器。
它还能满足需要更高带宽和更低分辨率的应用，如自适应速度控制系统。
本电路笔记讨论图1中所示电路的优化设计步骤，以满足特定带宽应用的要求，这些步骤包括：稳定性计算、噪声分析和器件选择考虑因素。
SFH2701 0.1µ
F VBIAS–5V CF3.3pFRF24.9kΩ +5V AD8065 RF24.9kΩ –5V0.1µ
F TP1INP2.5kΩ VOCM +2.5VINN 2.5kΩ +5V 1kΩ–OUT AD8475 +OUT 1kΩ –5V +5V ADR441 VIN VOUT GND +2.5V+1.8V TP3 33Ω AVDD VIN– 22pF 33ΩTP2 AD9629-20 VIN+GNDVCM +0.9V 图
1.具有暗电流补偿功能的光电二极管前置放大器系统(原理示意图：未显示所有连接和去耦) 10599-001 Rev.A CircuitsfromtheLab™circuitsfromAnalogDeviceshavebeendesignedandbuiltbyAnalogDevicesengineers.Standardengineeringpracticeshavebeenemployedinthedesignandconstructionofeachcircuit,andtheirfunctionandperformancehavebeentestedandveriedinalabenvironmentatroomtemperature.However,youaresolelyresponsiblefortestingthecircuitanddeterminingitssuitabilityandapplicabilityforyouruseandapplication.ordingly,innoeventshallAnalogDevicesbeliablefordirect,indirect,special,incidental,consequentialorpunitivedamagesduetoanycausewhatsoeverconnectedtotheuseofanyCircuitsfromtheLabcircuits.(Continuedonlastpage) OneTechnologyWay,
P.O.Box9106,Norwood,MA02062-9106,
U.S.A. Tel:781.329.4700 Fax:781.461.3113 ©2012AnalogDevices,Inc.Allrightsreserved. CN-0272 CF RF CIN=CS+CD+CM IPHOTO RSH=1011Ω CM CSCD CM VO VB 0.1µFRF 图
2.宽带光电二极管前置放大器用于交流和噪声分析的等效电路 10599-002 电路描述器件选择 光电二极管属于高阻抗传感器，用于检测光的强度。
它没有内部增益，但相比其它光检测器，可在更高的光级度下工作。
光电二极管工作时采用零偏置(光伏)模式或反向偏置(光导)模式。
光伏模式可获得最精确的线性运算，而让二极管工作在光导模式可实现更高的开关速度，但代价是降低线性度。
在反向偏置条件下，存在少量的电流(称为暗电流)，它们甚至在没有光照度的情况下也会流动。
可在运算放大器的同相输入端使用第二个同类光电二极管消除暗电流误差，如图1所示。
有三个因素影响光电二极管的响应时间： •处于光电二极管耗尽区域内载波的充电采集时间•处于光电二极管未耗尽区域内载波的充电采集时间•二极管电路组合的RC时间常数 由于结电容取决于光电二极管的扩散区以及施加的反向偏置，采用扩散区较小的光电二极管并施加较大的反向偏置即可获得更快的上升时间。
在CN-0272电路笔记中，采用SFH2701PIN光电二极管，其结电容典型值为3pF，0V偏置下的最大值为5pF。
1V反向偏置时的典型电容为2pF，5V反向偏置时为1.7pF。
本电路的测量均在5V反向偏置下进行。
图2显示了一个电流电压转换器和一个光电二极管的电气模型，其基本传递函数为： VOUT=IPHOTO×RF1+sCFRF 其中，IPHOTO为光电二极管的输出电流，RF和CF的并联组合设置信号带宽。
理想情况下，光电二极管的全部输出电流 均通过RF，但由于所有运算放大器都存在输入偏置电流，导致其输出产生误差。
最好能够将运算放大器的输入偏置 电流限制在数pA范围内，并且压低输入失调电压，以使误差最小。
AD8065的输入偏置电流仅为2pA，输入失调电压仅为400μ
V。
本电路设计为提供5V满量程输出，最大光电二极管电流为200μ
A。
由此确定反馈电阻值： RF=5V/200µA=24.9kΩ 此前置放大器所能实现的稳定带宽是以下参数的函数： RF、放大器的增益带宽积(65MHz)，以及放大器求和点的总电容CIN。
对本电路而言，二极管SFH2701(OSRAMOptoSemiconductorsGmbH)的最大电容值为CD=5pF。
AD8065共模输入电容为CM=2.1pF，差模输入电容为CD=4.5pF。
因此，总输入电容为CIN=11.6pF。
在45°相位裕量f(45)下产生的信号带宽可以表示为： f(45)= fCR = 2π×RF×CIN =5.7MHz 65MHz2π×24.9kΩ×11.6pF 由于可实现的最大带宽大于所需带宽，AD8065非常适合本应用，这多数要归功于其较大的fCR和CIN之比。
Rev.A|Page2of8 GAIN 10599-003 RF和CIN在放大器的环路传递函数中产生一个极点，它可能会导致峰化和电路不稳定(见图3)。
增加CF可以在环路的传递函数中创建一个零点，它能补偿上述极点的影响并降低 信号带宽。
f1=f2= CF=
1 * 2πRF(CF+CIN) 12πRFCF CIN2πRFCF *IF(CIN)>>CF,THENCFCANBEOMITTED OPENLOOPGAIN f2 NOISEDUETOAMPLIFIER UNCOMPENSATEDCOMPENSATED VEN1 f1fCR FREQUENCY(Hz) 图
3.输入电容补偿 选定RF，则产生2MHz带宽的CF值可以表示为： C=1=
1 =3.3pF F2πRFf22π×24.9kΩ×2MHz 通过计算获得45°相位裕量所需的电容值，可确定3.3pF电容 对于稳定系统是否足够。
产生f(45)的CF值可以表示为： CF= CIN = 2π×RF×fCR 11.6pF2π×24.9kΩ×65MHz =1.1pF 由于所需的3.3pF高于1.1pF的最小值，而通过增加电容值 便可增加相位裕量，因此系统稳定。
噪声分析 选定器件后，必须确定完成信号转换所需的分辨率。
如同大多数的噪声分析一样，只需考虑几个关键参数。
噪声源以RSS方式叠加；因此，只需考虑至少高于其它噪声源三至四倍的任何单个噪声源即可。
对于光电二极管前置放大器而言，主要的输出噪声源是运算放大器的输入电压噪声和反馈电阻噪声。
FET输入运算放大器的输入电流噪声可忽略不计。
由于寄生电容具有滤波效果，反向偏置引起的光电二极管散粒噪声可忽略不计。
CN-0272 电阻噪声可根据约翰逊噪声公式计算： VRFRTO=4kTRF×1.57f2=36rms其中：K表示玻尔兹曼常数(1.38×10-23J/K)。
T表示绝对温度(单位K)。
系数1.57将近似单极点带宽转换为等效噪声带宽。
注意，前置放大器正输入端的0.1μF电容可消除第二个RF电阻产生的高频噪声，该电阻用于抵消偏置电流的影响。
输出噪声主要源于输入电压噪声和高频噪声增益峰化，峰化现象发生在f1和fCR之间。
若假定整个频率范围内的输出噪声不变，并且使用了交流噪声增益的最大值，则： VNRTO = VN 1+ CIN  1.57f2 =56 rms CF 其中，VN表示放大器的输入电压噪声(7nV/√Hz)。
折合到输出的总均方根噪声便是两个器件的RSS值： TotalRTONoise=(36)2+(56)2=67rms 前置放大器的总输出动态范围可这样计算：将满量程输出信号(5V)除以总输出均方根噪声(67μVrms)，然后转化为dB，其结果约等于97dB。
DynamicRange=20log(5V/67µV))=97dB ADC选型 由于放大器的噪声输出量(即能够解析出来的最大位数)可通过将满量程输出除以均方根噪声算得： TotalRMSLSBs=5V/67µV=74,627 因此，均方根LSB的数量可转化为有效分辨率： EectiveResolution=log2(74,627)=16.19Bits 从有效分辨率中减去2.7位，即可得到无噪声码分辨率：Noise-FreeCodeResolution=EectiveResolution–2.7Bits=16.19Bits–2.7Bits=13.49Bits 根据最终应用的不同，13位可能远高于实际需要的分辨率。
由于目标应用无需这么高的分辨率，可以确定本系统符合12位的设计要求。
Rev.A|Page3of8 CN-0272 如果LSB以电流表示的数值低于暗电流，则如前文所述，可在运算放大器的同相输入端使用第二个同类光电二极管消除暗电流。
例如，若要求16位分辨率，则检测到的光电流量为： ILSB=IP2HONTO=202016=3nA由于流经SFH2701的最大暗电流额定值为5nA，则在16位设计中就需要暗电流补偿。
本应用采用12位ADC，因此LSB值为49nA，无需进行暗电流补偿。
若带宽为2MHz，则合理的设计原则是选择一个10倍或更高采样速率的ADC。
这表示，理想的ADC必须具有12位分辨率，采样速率必须达到20MSPS。
AD9629-20是一款20MSPS、12位分辨率的ADC，可作为理想的替代产品使用。
但它要求差分输入，并且5Vp-p单端输入必须转换为2Vp-p差分信号。
使用AD8475差分漏斗放大器可轻松满足这一要求。
它能简化单端至差分转换，并提供共模电平转换和精密衰减。
AD8475最大输出失调仅为500μ
V，具有10nV/√Hz的差分输出噪声，以及−112dB的总谐波失真加噪声(THD+N)性能。
AD8475支持最大输出电压为2Vp-p，最高频率为10MHz，完全符合2MHz的设计要求。
AD8475的增益由AD9629-20的模拟输入范围(2Vp-p)和AD8065的满量程输出(5Vp-p)共同决定。
Gain=2Vp-p/5Vp-p=0.4AD9629-20通过VCM引脚提供0.9V的片内共模电压。
该引脚以0.9V共模电压驱动AD8475的VOCM引脚。
重要的是，必须考虑本系统中AD8475的噪声贡献。
首先，将AD8065(67μVrms)的输出噪声乘以AD8475的增益，即可算出AD8065的噪声贡献。
NoiseatAD8475OutputduetoNoiseofAD8065=0.4×67µVrms=27µVrms AD8475的输出噪声可这样计算：将输出噪声密度(10nV/√ Hz)乘以带宽的平方根(通过输出滤波器设置)。
OutputFilterBW=1=
1 =110MHz 2πRC2π×66Ω×22pF 经滤波处理后的AD8475输出噪声= 10nV/√Hz×(1.57×110MHz) AD8475经滤波后的输出端总噪声可利用两个器件的RSS值计算： TotalNoise=(27)2+(131)2=134rms 把AD8475的噪声贡献计算在内，便可确定进行解析所需的位数，还能进行总动态范围的计算。
TotalRMSLSBs=5V/134µV=37,313EectiveResolution=log2(37,313)=15.19BitsNoise-FreeCodeResolution=EectiveResolution–2.7Bits =15.19Bits–2.7Bits=12.49BitsDynamicRange=20log(5V/134µV))=91dB 测试结果使用一个激光二极管驱动D1光电二极管，并产生电流。
光电二极管D2用于暗电流补偿，其覆有光学不透明环氧树脂(EPO-TEK®320)材料，当D1受到激励时，可防止D2产生输出电流。
通过迫使光电二极管驱动一个高于预期的电流，AD8065的近似最大上升和下降时间达到72ns(见图4)。
5V 10599-004 0V CH41.00V M200nsT2.470µs ACH44.73V 图
4.对光电二极管进行过驱得到的脉冲响应 Rev.A|Page4of8 10599-007 通过改变激光二极管的位置，使其不再对光电二极管过驱至超过200μ
A，便可测得更实用的系统上升和下降时间。
图5显示AD8065的上升和下降测量值分别为282ns和290ns。
需注意，由于存在足够的相位裕量，在两种测试用例中分别关闭激光二极管后，均不存在振铃。
5V CN-0272 0V 10599-005 CH41.00V M200nsT98.00ns ACH44.70V 图
5.激光二极管的脉冲响应 既然已经测试了系统对亮光脉冲的响应，那么系统对光强 高速变化的响应亦可测得。
利用Agilent33250A函数发生器以2MHz的正弦波驱动激光二极管。
图6显示AD8065的输出可正确检测较小的光强变化，图7显示CN0272评估软件正确获取AD9629-20ADC的转换数据，并以图形方式显示的屏幕截图。
3V 图
7.CN0272评估软件对2MHz可变光源进行数字化处理的屏幕截图 有关本电路笔记的完整设计支持包，请参阅/CN0272-DesignSupport。
脉搏血氧仪中的应用脉搏血氧仪是一种医疗设备，用于连续测量氧饱和血红蛋白(Hgb)的百分比和病人的脉搏数。
携氧血红蛋白(氧合血红蛋白)吸收红外光谱区(940nm)中的光，未携氧的血红蛋白(脱氧血红蛋白)则吸收可见红光(650nm)。
通过计算这两个光强之比，便可得到体内氧气含量的百分比。
在脉搏血氧仪中，两个LED(一个发出红光，另一个发出红外光)受到两个电流源快速并有顺序的激励，并用一个光电二极管检测LED的光强。
图1中的电路可与LED吸电流电路同步(如CN-0125)，以便捕捉透过组织传递的每个LED发出的光 10599-006 0V CH2500mV M200nsT0.0s ACH2 图
6.使用可变光源的AD8065输出 1.65V Rev.A|Page5of8 CN-0272 常见变化 选用的器件针对噪声和成本优化；但也能用其它组合替换。
其它适用的双电源放大器包括ADA4817-1和ADA4637-
1。
若需采用单电源工作，则建议使用AD8605或AD8615。
这些放大器的输入偏置电流都不超过2pA，输入失调电压不超过400μ
V，并且单位增益带宽积超过10MHz。
对于需要100MHz及以上带宽的应用(如自适应速度控制)，建议采用下列器件组合：ADA4817-1FastFET放大器、ADA4932-1低功耗差分ADC驱动器和AD9634-21012位、210MSPSADC。
ADA4817-1具有400MHz的高增益带宽积和1.4pF的极低输入电容。
这些特性使得这款放大器成为宽带跨导应用的理想选择。
ADA4932-1驱动器能以最高360MHz的频率保持2Vp-p输出，这对于AD9634-210ADC而言足够了。
电路评估与测试 本电路使用EVAL-CN0272-SDPZ电路板和EVAL-SDP-CB1ZSDP-B系统演示平台转接板。
这两片板具有120引脚的对接连接器，可以快速完成设置并评估电路性能。
EVALCN0272-SDPZ板包含要评估的电路，如本笔记所述。
SDP-B转接板与CN0272评估软件一起使用，可从EVALCN0272-SDPZ电路板获取数据。
设备要求需要以下设备： •带USB端口的Windows®XP(32位)、WindowsVista®或Windows®7PC •EVAL-CN0272-SDPZ电路板•EVAL-SDP-CB1ZSDP-B转接板•CN0272SDP评估软件•EVAL-CFTL-6V-PWRZ直流电源或同等6V/1A台式电源•400nm至1050nm光源 开始使用将CN0272评估软件光盘放进PC的光盘驱动器，加载评估软件。
打开我的电脑，找到包含评估软件的驱动器。
功能框图电路框图见图
1，完整的电路原理图见EVAL-CN0272SDPZ-PADSSchematic-RevC.pdf文件。
此文件位于CN0272设计支持包中。
EVAL-CFTL-6V-PWRZ PC 6VWALLWART J3 TP1 120 USB D1 D2 PINS GNDJ4 CONA 10599-008 EVAL-CN0272-SDPZBOARD EVAL-SDP-CB1ZSDP-BBoard 图
8.测试设置框图 设置EVAL-CN0272-SDPZ电路板上的120引脚连接器连接到EVAL-SDP-CB1Z转接板(SDP-B)上的CONA连接器。
使用尼龙五金配件，通过120引脚连接器两端的孔牢牢固定这两片板。
在断电情况下，将一个6V电源连接到电路板上的+6V和GND引脚。
如果有6V壁式电源适配器，可将其连接到板上的管式连接器，代替6V电源。
SDP-B板附带的USB电缆连接到PC上的USB端口。
此时请勿将该USB电缆连接到SDP-B板上的微型USB连接器。
测试为连接到EVAL-CN0272-SDPZ电路板的6V电源(或“壁式电源适配器”)通电。
启动评估软件，并通过USB电缆将PC连接到SDP-B板上的微型USB连接器。
一旦建立USB通信，就可以使用SDP-B板来发送、接收、捕捉来自EVAL-CN0272-SDPZ板的并行数据。
图9显示EVAL-CN0272-SDPZ评估板连接SDP板的照片。
有关SDP-B板的信息，请参阅EVAL-CN0272-SDPZSDP-B用户指南。
注意，光电二极管D2用于暗电流补偿，其覆有光学不透明环氧树脂(EPO-TEK320)材料，当D1受到激励时，可防止D2产生输出电流。
有关测试设置、校准以及如何使用评估软件来捕捉数据的详细信息，请参阅CN-0272软件用户指南。
Rev.A|Page6of8 10599-009 CN-0272 图
9.连接到EVAL-SDP-CB1ZSDP-B板的EVAL-CN0272-SDPZ评估板 针对原型开发的连接EVAL-CN0272-SDPZ评估板设计用于EVAL-SDP-CB1ZSDP-B板，但任何微处理器都可与AD9629-20的并行外设接口(PPI)实现对接。
为使另一个控制器能与EVAL-CN0272SDPZ评估板一同使用，第三方必须开发相应的软件。
目前已有一些转接板能实现与Altera或Xilinx现场可编程门阵列(FPGAs)的接口。
利用Nios驱动器，Altera的BeMicroSDK板能配合BeMicroSDK/SDP转接板一同使用。
任何集成FMC连接器的Xilinx评估板均可与FMC-SDP转接板一同使用。
Rev.A|Page7of8 CN-0272 了解详情 CN0272DesignSupportPackage: /CN0272-DesignSupportSDP-BUserGuide Ardizzoni,John.APracticalGuidetoHigh-SpeedPrinted-CircuitBoardLayout,AnalogDialogue39-09,September2005. Kester,Walt,Wurcer,Scott,Kitchin,Chuck.HighImpedanceSensors,PracticalDesignTechniquesforSensorSignalConditioning,Section5,1999. MT-004Tutorial,eGood,theBad,andtheUglyAspectsofADCInputNoise—IsNoNoiseGoodNoise?
AnalogDevices. MT-031Tutorial,GroundingDataConvertersandSolvingtheMysteryof“AGND”and“DGND”,AnalogDevices. MT-035,OpAmpInputs,Outputs,Single-Supply,andRail-toRailIssues,AnalogDevices. MT-036Tutorial,OpAmpOutputPhase-ReversalandInputOver-VoltageProtection,AnalogDevices. MT-068Tutorial,DierenceandCurrentSenseAmpliers,AnalogDevices. MT-101Tutorial,DecouplingTechniques,AnalogDevices. CN-0125,HighPrecision,LowPower,LowCostPulseOximeterInfraredandRedCurrentSinksUsingtheADA4505-210μAZeroInputCrossoverDistortionOpAmp,ADR1581PrecisionShuntVoltageReference,andADG1636DualSPDTSwitches,AnalogDevices. DiAmpCalc™:DierentialAmplierCalculatorAnalogPhotodiodeWizardAnalogDevicesPulseOximetryProducts SFH-2701PINPhotodiode,OSRAMOptoSemiconductorsGmbHPhotodiodeCharacteristicsandApplications,ApplicationNote,OSI Optoelectronics,12525ChadronAve,Hawthorne,CA90250 数据手册和评估板CN-0272CircuitEvaluationBoard(EVAL-CN0272-SDPZ)SystemDemonstrationPlatform(EVAL-SDP-CB1Z)AD8065DatasheetAD8475DatasheetADR441DatasheetAD9629-20Datasheet修订历史2012年12月—修订版0至修订版A更改测试部分....................................................................................6 2012年11月—修订版0：初始版 (Continued
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