OP281/OP481：超低功耗軌到軌輸出運算放大器的卓越之選

在電子設(shè)計領(lǐng)域，運算放大器是不可或缺的基礎(chǔ)元件。今天要給大家詳細(xì)介紹的是Analog Devices公司的OP281/OP481超低功耗單電源運算放大器，它在眾多應(yīng)用場景中展現(xiàn)出了獨特的優(yōu)勢。

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一、產(chǎn)品概述

OP281和OP481分別為雙運放和四運放，采用了Analog Devices的CBCMOS工藝制造。其顯著特點是具有軌到軌輸出能力，每個放大器的靜態(tài)電流極低，最大僅為4μA。它能在低至2.0V的電源電壓下工作，并且在+3V、+5V單電源以及±5V雙電源下都有詳細(xì)的性能指標(biāo)。

二、產(chǎn)品特性

（一）電氣特性

1. 輸入特性
   • 失調(diào)電壓：在不同電源電壓下，失調(diào)電壓較低。例如，在(V{S}=3.0V)時，失調(diào)電壓最大為2.5mV；在(V{S}=5.0V)時，最大為1.5mV。
   • 輸入偏置電流：在-40°C至+85°C的溫度范圍內(nèi)，輸入偏置電流最大為10nA。
   • 輸入失調(diào)電流：同樣在該溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電流最大為7nA。
   • 輸入電壓范圍：電源電壓不同，輸入電壓范圍也有所不同。如(V{S}=3.0V)時，范圍是0 - 2V；(V{S}=5.0V)時，范圍是0 - 4V。
   • 共模抑制比：在規(guī)定的共模電壓和溫度范圍內(nèi)，共模抑制比可達(dá)65 - 95dB。
2. 輸出特性
   • 輸出電壓擺幅：能夠?qū)崿F(xiàn)軌到軌輸出，輸出電壓高（(V{OH})）和輸出電壓低（(V{OL})）都能接近電源電壓。例如，在(V{S}=3.0V)，(R{L}=100kΩ)到地時，(V{OH})最大可達(dá)2.96V；(V{OL})最小為25mV。
   • 短路電流限制：短路電流限制在±1.1mA（(V{S}=3.0V)）和±3.5mA（(V{S}=5.0V)）。
3. 電源特性
   • 電源抑制比：在2.7V至12V的電源電壓范圍內(nèi)，電源抑制比可達(dá)76 - 95dB。
   • 電源電流：每個放大器的電源電流極低，最大為4μA。
4. 動態(tài)性能
   • 壓擺率：在(R{L}=100kΩ)，(C{L}=50pF)的條件下，壓擺率為25 - 28V/ms。
   • 增益帶寬積：增益帶寬積約為95 - 105kHz。
   • 相位裕度：相位裕度為70 - 75度。
5. 噪聲性能
   • 電壓噪聲：在0.1Hz至10Hz的頻率范圍內(nèi)，電壓噪聲峰 - 峰值為10μVp - p。
   • 電壓噪聲密度：在1kHz時，電壓噪聲密度為75 - 85nV/√Hz。
   • 電流噪聲密度：小于1pA/√Hz。

（二）其他特性

1. 溫度范圍：該系列放大器的工作溫度范圍為-40°C至+85°C，能適應(yīng)較寬的工業(yè)環(huán)境。
2. 封裝形式：OP281有8引腳的SOIC表面貼裝和TSSOP封裝；OP481有窄體14引腳的SOIC和TSSOP封裝，方便不同的電路板設(shè)計需求。

三、典型應(yīng)用

（一）比較器

OP281/OP481的輸出能夠軌到軌擺動，并且在輸出驅(qū)動到電源電壓時不會增加電源電流，再加上其快速的飽和恢復(fù)時間（65μs），使其非常適合在超低功耗系統(tǒng)中用作比較器。例如在一些電池供電的監(jiān)測系統(tǒng)中，可利用其比較功能對信號進(jìn)行判斷。

（二）電池供電儀器

由于其超低的電源電流，OP281/OP481在電池供電的儀器中表現(xiàn)出色。像便攜式的測量設(shè)備，能夠有效延長電池的使用時間。

（三）安全監(jiān)測

在安全監(jiān)測系統(tǒng)中，需要長時間穩(wěn)定運行且功耗低的器件。OP281/OP481可以對各種信號進(jìn)行放大和處理，實現(xiàn)對安全參數(shù)的監(jiān)測。

（四）遠(yuǎn)程傳感器

遠(yuǎn)程傳感器通常依靠電池供電，對功耗要求嚴(yán)格。OP281/OP481可以對傳感器輸出的微弱信號進(jìn)行放大，同時降低自身功耗，保證傳感器系統(tǒng)的長期穩(wěn)定工作。

（五）低電壓應(yīng)變計放大器

在低電壓環(huán)境下，OP281/OP481能夠?qū)?yīng)變計輸出的微小信號進(jìn)行有效放大，滿足應(yīng)變測量的需求。

四、工作原理與設(shè)計要點

（一）工作原理

OPx81系列運算放大器的輸入級采用了PNP差分對，這種設(shè)計使得輸入級在共模范圍擴(kuò)展到地時仍能保持線性。輸出級由一對共源配置的CMOS晶體管組成，使得放大器的輸出能夠擺動到接近電源軌的位置。輸出級所需的裕量與驅(qū)動到負(fù)載的電流量有關(guān)，輸出電流越低，輸出越接近電源軌。

（二）輸入過壓保護(hù)

輸入級的PNP差分對存在輸入過壓的風(fēng)險。當(dāng)輸入晶體管的基極電壓比負(fù)電源低0.6V以上時，輸入ESD保護(hù)二極管會正向偏置，導(dǎo)致大電流流動，可能損壞器件并產(chǎn)生輸出相位反轉(zhuǎn)。為防止這種情況，可在輸入與器件之間串聯(lián)一個電阻，將輸入電流限制在小于0.5mA。電阻大小可根據(jù)公式(R=frac{V{EE}-V{IN,MIN}}{0.5 × 10^{-3}})計算，其中(V{EE})為放大器的負(fù)電源，(V{IN,MIN})為預(yù)期的最低輸入電壓偏移。

（三）輸入失調(diào)電壓

OPx81系列運算放大器設(shè)計用于低失調(diào)電壓（小于1mV），在實際應(yīng)用中能有效減少因失調(diào)電壓帶來的誤差。

（四）輸入共模電壓范圍

OPx81的額定輸入共模電壓范圍是從(V{EE})到比(V{CC})低1V，但實際上它能在略低于(V_{EE})的共模電壓下工作。

（五）電容負(fù)載

大多數(shù)低電源電流放大器在驅(qū)動電容負(fù)載時存在困難，但OPx81系列通過精心設(shè)計的輸出級和較高的相位裕度，能夠在一定程度上容忍電容負(fù)載。例如，在輸出連接10nF電容時，輸出過沖不超過10%。

五、應(yīng)用電路示例

（一）微功耗參考電壓發(fā)生器

采用兩個1MΩ電阻從3V電源中僅吸取1.5μA電流來生成參考電壓。在反相輸入端與運放輸出之間連接一個電容進(jìn)行補(bǔ)償，允許在參考輸出端連接旁路電容，以建立參考輸出的交流地。整個參考發(fā)生器從3V電源源吸取的電流小于5μA。

（二）窗口比較器

以O(shè)P281為例，可構(gòu)成窗口比較器。通過設(shè)置(V{H})和(V{L})（(V{H}>V{L})）來確定窗口的閾值限制。當(dāng)輸入電壓(V{IN})在(V{L})和(V{H})之間時，輸出(V{out})為高；當(dāng)(V{IN})超出該范圍時，(V{out})為低。

（三）低側(cè)電流監(jiān)測器

在電源控制電路設(shè)計中，可利用OPx81的共模范圍擴(kuò)展到地的特性，對電源返回路徑中的電流進(jìn)行監(jiān)測。通過反饋使R1兩端的電壓等于(R{SENSE})兩端的電壓，從而根據(jù)公式(V{OUT}=V{CC}-(frac{R2}{R1} × R{SENSE} × I_{L}))計算輸出電壓。

（四）低電壓半波和全波整流器

OP281可配置為低頻（<500Hz）應(yīng)用的全波整流器。放大器A1用作電壓跟隨器，對輸入信號進(jìn)行半波整流；放大器A2在不同輸入情況下分別作為電壓跟隨器和反相放大器，實現(xiàn)全波整流。

（五）電池供電電話耳機(jī)放大器

在電話耳機(jī)電路中，OP281的一側(cè)可作為麥克風(fēng)放大器，另一側(cè)可驅(qū)動揚聲器。對于麥克風(fēng)放大器，通過300kΩ和11kΩ電阻設(shè)置約29dB的增益；對于揚聲器放大器，可提供高達(dá)15dB的增益，并通過Class AB緩沖器隔離負(fù)載，減少交越失真。

六、總結(jié)

OP281/OP481超低功耗軌到軌輸出運算放大器憑借其低功耗、軌到軌輸出、寬輸入電壓范圍等一系列優(yōu)秀特性，在眾多應(yīng)用領(lǐng)域展現(xiàn)出了強(qiáng)大的競爭力。無論是電池供電設(shè)備、安全監(jiān)測系統(tǒng)還是傳感器信號處理等，它都能提供穩(wěn)定可靠的性能。在實際設(shè)計中，我們需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理利用其特性，并注意輸入過壓保護(hù)、電容負(fù)載等設(shè)計要點，以充分發(fā)揮其優(yōu)勢。大家在使用過程中有沒有遇到過一些特別的問題或者有獨特的應(yīng)用經(jīng)驗?zāi)?？歡迎在評論區(qū)分享交流。