OP179/OP279運(yùn)算放大器：?jiǎn)坞娫丛O(shè)計(jì)的理想選擇

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，運(yùn)算放大器是一個(gè)關(guān)鍵組件，它的性能直接影響到整個(gè)電路的表現(xiàn)。今天，我們來(lái)詳細(xì)探討一下Analog Devices公司的OP179/OP279運(yùn)算放大器，看看它在單電源設(shè)計(jì)中能為我們帶來(lái)哪些驚喜。

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一、OP179/OP279簡(jiǎn)介

OP179/OP279是一款專為多媒體和電信市場(chǎng)設(shè)計(jì)的單電源運(yùn)算放大器，具有軌到軌輸入/輸出、高輸出電流驅(qū)動(dòng)能力等特點(diǎn)，適用于低電壓應(yīng)用場(chǎng)景，能滿足電流或容性負(fù)載驅(qū)動(dòng)的需求。

（一）關(guān)鍵特性

1. 軌到軌輸入輸出：允許輸入和輸出信號(hào)接近電源軌，大大提高了信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍。
2. 高輸出電流：能提供高達(dá)60mA的輸出電流，可直接驅(qū)動(dòng)多種負(fù)載。
3. 寬電源電壓范圍：支持5V到12V的單電源供電，適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景。
4. 寬帶寬：帶寬可達(dá)5MHz，能滿足音頻等應(yīng)用的需求。
5. 低失真：失真率低至0.01%，確保信號(hào)的高質(zhì)量傳輸。
6. 高轉(zhuǎn)換速率：轉(zhuǎn)換速率為3V/μs，能快速響應(yīng)輸入信號(hào)的變化。
7. 容性負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力：可穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)高達(dá)10nF的容性負(fù)載。
8. 其他特性：具備單位增益穩(wěn)定性、無(wú)相位反轉(zhuǎn)、短路保護(hù)等功能。

（二）應(yīng)用領(lǐng)域

多媒體、電信、DAA、變壓器驅(qū)動(dòng)、LCD驅(qū)動(dòng)、低壓伺服控制、調(diào)制解調(diào)器、FET驅(qū)動(dòng)等。

二、技術(shù)規(guī)格詳解

（一）電源電壓與性能

OP179/OP279在不同電源電壓下有不同的性能表現(xiàn)。在5V單電源供電（VS = 5.0V）時(shí)，它能在較寬的溫度范圍（ - 40°C ≤ TA ≤ +85°C）內(nèi)保持穩(wěn)定的性能，如輸入失調(diào)電壓、輸入偏置電流等參數(shù)都有較好的控制。當(dāng)采用±5.0V雙電源供電時(shí)，在相同溫度范圍內(nèi)，其在一些指標(biāo)上也有特定的表現(xiàn)，像輸出電壓高低等方面會(huì)有所變化。

（二）輸入特性

1. 輸入失調(diào)電壓：OP179的典型值為±5mV，OP279為±4mV。這個(gè)參數(shù)反映了運(yùn)算放大器在輸入為零時(shí)輸出不為零的誤差程度，數(shù)值越小，說(shuō)明放大器的精度越高。
2. 輸入偏置電流：在V OUT = 2.5V、TA = 25°C條件下，典型值為±300nA。輸入偏置電流會(huì)影響放大器對(duì)輸入信號(hào)的處理，在設(shè)計(jì)中需要考慮其對(duì)電路的影響。
3. 輸入失調(diào)電流：不同條件下有不同的數(shù)值范圍，如在某些條件下為±700nA、±50nA、±100nA等。輸入失調(diào)電流是輸入偏置電流的差值，它也會(huì)對(duì)放大器的性能產(chǎn)生影響。
4. 輸入電壓范圍和共模抑制比：輸入電壓范圍為0V到5V，共模抑制比典型值為66dB。共模抑制比衡量了放大器對(duì)共模信號(hào)的抑制能力，數(shù)值越高，說(shuō)明放大器對(duì)共模干擾的抵抗能力越強(qiáng)。

（三）輸出特性

1. 輸出電壓高低：在不同負(fù)載電流和溫度條件下，輸出電壓高可達(dá)+4.8V，輸出電壓低有不同的數(shù)值，如±40mV、±50mV等。這些參數(shù)反映了放大器在不同負(fù)載下的輸出能力。
2. 短路限制：短路限制電流為75mA或100mA等，這一特性可以保護(hù)放大器在短路情況下不被損壞。
3. 輸出阻抗：在f = 1MHz、AV = 1條件下，輸出阻抗典型值為22Ω。輸出阻抗會(huì)影響放大器對(duì)負(fù)載的驅(qū)動(dòng)能力，數(shù)值越小，驅(qū)動(dòng)能力越強(qiáng)。

（四）動(dòng)態(tài)性能

1. 轉(zhuǎn)換速率：典型值為3V/μs，轉(zhuǎn)換速率決定了放大器對(duì)快速變化信號(hào)的響應(yīng)能力，對(duì)于處理高頻信號(hào)非常重要。
2. 增益帶寬積：帶寬典型值為5MHz，增益帶寬積是衡量放大器在不同頻率下放大能力的重要指標(biāo)。
3. 相位裕度：相位裕度是保證放大器穩(wěn)定工作的重要參數(shù)，OP179/OP279具有較好的相位裕度。
4. 容性負(fù)載驅(qū)動(dòng)：可穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)高達(dá)10nF的容性負(fù)載，但容性負(fù)載會(huì)對(duì)帶寬產(chǎn)生一定影響，需要注意。

（五）音頻性能

在音頻應(yīng)用中，OP179/OP279表現(xiàn)出色。在5V系統(tǒng)中使用時(shí)，總諧波失真（THD）低于0.01%（600Ω負(fù)載），噪聲密度為21nV/√Hz，能提供高質(zhì)量的音頻信號(hào)。

三、工作原理分析

（一）輸入級(jí)電路

OP179/OP279的輸入級(jí)由兩個(gè)PNP差分對(duì)（Q5 - Q6和Q7 - Q8）并聯(lián)組成，并配有二極管保護(hù)網(wǎng)絡(luò)。這種設(shè)計(jì)可以根據(jù)輸入共模電壓的變化來(lái)調(diào)整增益，從而實(shí)現(xiàn)軌到軌輸入。當(dāng)輸入共模電壓處于電源中間時(shí)，Q5 - Q6對(duì)控制差分信號(hào)路徑增益；當(dāng)輸入共模電壓接近負(fù)電源時(shí)，Q5 - Q6仍保持活躍提供增益；當(dāng)輸入共模電壓接近正電源時(shí)，Q7 - Q8對(duì)開(kāi)始工作。同時(shí)，輸入偏置電流在不同共模電壓范圍內(nèi)有不同的表現(xiàn)，為了保證最佳的直流和交流性能，連接到輸入的有效源阻抗必須保持平衡。

（二）輸出級(jí)電路

為了實(shí)現(xiàn)軌到軌輸出，OP179/OP279采用了互補(bǔ)共發(fā)射極（或g m RL）輸出級(jí)（Q15 - Q16）。這種輸出級(jí)在接近電源軌約50mV時(shí)才會(huì)進(jìn)入飽和狀態(tài)，從而限制了最大輸出電壓擺幅。同時(shí)，輸出級(jí)還具有電壓增益，且該增益與輸出端的總負(fù)載電阻密切相關(guān)。

（三）輸入過(guò)壓保護(hù)

當(dāng)輸入電壓超過(guò)電源電壓時(shí)，OP179/OP279內(nèi)部的pn結(jié)會(huì)導(dǎo)通，允許電流從輸入流向電源。由于內(nèi)部沒(méi)有限流電阻，故障電流可能會(huì)迅速上升到危險(xiǎn)水平。因此，當(dāng)輸入電壓超過(guò)電源0.6V以上時(shí)，應(yīng)添加外部串聯(lián)電阻來(lái)限制電流，電阻大小可通過(guò)最大過(guò)電壓除以5mA來(lái)計(jì)算。為了確保最佳性能，還需要平衡源阻抗水平。

（四）輸出相位反轉(zhuǎn)

OP179/OP279在合理的輸入電壓范圍內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)輸出相位反轉(zhuǎn)的情況，但當(dāng)輸入電壓可能超過(guò)電源電壓時(shí)，輸入保護(hù)二極管會(huì)有大電流流過(guò)，因此需要采用輸入過(guò)壓保護(hù)措施。

（五）容性負(fù)載驅(qū)動(dòng)

OP179/OP279具有出色的容性負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力，可直接驅(qū)動(dòng)高達(dá)10nF的容性負(fù)載。然而，容性負(fù)載會(huì)導(dǎo)致帶寬下降，當(dāng)負(fù)載大于3nF時(shí)，帶寬會(huì)降至1MHz以下。為了減少過(guò)沖，可以使用“緩沖”網(wǎng)絡(luò)（由串聯(lián)的R - C網(wǎng)絡(luò)組成）進(jìn)行相位滯后補(bǔ)償。電阻值可從100Ω開(kāi)始調(diào)整，電容值可從10μF開(kāi)始調(diào)整，以優(yōu)化小信號(hào)瞬態(tài)響應(yīng)。

四、典型應(yīng)用電路

（一）高精度負(fù)電壓基準(zhǔn)

在數(shù)據(jù)采集應(yīng)用中，常常需要高精度的負(fù)電壓基準(zhǔn)。通過(guò)使用OP179/OP279和有源積分器電路，可以避免使用精密匹配電阻帶來(lái)的誤差。該電路中，電壓參考的輸出為積分器提供輸入驅(qū)動(dòng)，積分器通過(guò)調(diào)整輸出建立參考電壓Vout和地之間的正確關(guān)系。通過(guò)更換不同的參考IC，可以選擇不同的負(fù)輸出電壓。為了加快電路的開(kāi)關(guān)時(shí)間，可將R2減小到50kΩ或更小。同時(shí)，需要注意運(yùn)算放大器在提供負(fù)載電流時(shí)需要一定的裕量，在選擇負(fù)電源時(shí)要考慮這一點(diǎn)。

（二）高輸出電流緩沖參考/調(diào)節(jié)器

在許多應(yīng)用中，需要從非穩(wěn)壓輸入源獲得接近其電位的穩(wěn)定電壓輸出，這種“低壓差”參考/調(diào)節(jié)器可通過(guò)軌到軌輸出運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)，OP179/OP279是一個(gè)很好的選擇。以從5V系統(tǒng)源產(chǎn)生3.3V或4.5V參考電壓為例，使用REF196（3.3V）或REF194（4.5V）等三端參考，并配備OP179/OP279緩沖器，可提供更高的電流和源/匯負(fù)載能力。該電路的低壓差性能由OP179/OP279的一部分（作為跟隨器/緩沖器）提供，能夠在5V到3.3V轉(zhuǎn)換中提供高直流精度，且在負(fù)載電流變化時(shí)輸出電壓變化小于1mV，相當(dāng)于輸出阻抗小于0.03Ω。

（三）電話線接口直連方案

圖10所示的5V單電源收發(fā)電話線接口電路，適用于110Ω?jìng)鬏斚到y(tǒng)。放大器A1和A2可將最大可能的信號(hào)施加到變壓器上，由于OP179/OP279的高輸出電流驅(qū)動(dòng)和低壓差電壓特性，在5V單電源下可提供約4.5V p - p的信號(hào)。放大器A3作為差分放大器提取接收信號(hào)，A4可調(diào)整增益以滿足調(diào)制解調(diào)器的輸入信號(hào)要求。該電路采用標(biāo)準(zhǔn)電阻值和OP179/OP279的8引腳SOIC封裝，提供了緊湊且經(jīng)濟(jì)的解決方案。

（四）單電源遠(yuǎn)程應(yīng)變計(jì)信號(hào)調(diào)理器

在圖11所示的12V單電源、350Ω應(yīng)變計(jì)信號(hào)調(diào)理電路中，OP179/OP279發(fā)揮了重要作用。一方面，通過(guò)伺服REF43的2.5V輸出在R1上提供20mA的驅(qū)動(dòng)電流給應(yīng)變計(jì)，使應(yīng)變計(jì)的微小變化能在AMP04的輸入產(chǎn)生大的差分輸出電壓；另一方面，將OP179/OP279的另一半配置為電源分壓器連接到AMP04的REF端子，以最大化電路的動(dòng)態(tài)范圍，從而可以測(cè)量應(yīng)用中的張力或壓縮力。

（五）單電源平衡線驅(qū)動(dòng)器

圖12所示的單電源平衡線驅(qū)動(dòng)器電路，用于專業(yè)音頻和汽車音頻應(yīng)用。在12V單電源下，該電路在600Ω負(fù)載上的失真小于0.02%，對(duì)于更大的負(fù)載，失真性能可提高到小于0.002%。該設(shè)計(jì)采用無(wú)變壓器的平衡傳輸系統(tǒng)，對(duì)噪聲的共模抑制非常重要，且任一輸出可短路到地，適用于不平衡線驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用。電路的增益可根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置，可方便地配置為同相、反相或差分操作。

（六）單電源耳機(jī)放大器

由于OP179/OP279具有高速和大輸出驅(qū)動(dòng)能力，非常適合作為耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器。在圖13所示的單電源立體聲耳機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，通過(guò)將放大器輸入偏置到V + /2（即2.5V），可在5V單電源下獲得最大信號(hào)擺幅。音頻信號(hào)通過(guò)10μF電容交流耦合到輸入，輸出通過(guò)220μF電容耦合到耳機(jī)，同時(shí)使用16Ω電阻限制電容放電電流，保護(hù)運(yùn)算放大器的輸出級(jí)。在驅(qū)動(dòng)48Ω負(fù)載時(shí)，電路在低輸出驅(qū)動(dòng)水平下THD + N小于0.02%，在高輸出時(shí)也能保持THD + N小于1%。

（七）有源濾波器

OP179/OP279可用于多種有源濾波器拓?fù)洌@里介紹兩種常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)：Sallen - Key（SK）電壓控制電壓源（VCVS）和多反饋（MFB）濾波器。

1. Sallen - Key濾波器：
   • 高通配置：圖14a所示的2極點(diǎn)高通SK濾波器，在通帶內(nèi)增益為1，信號(hào)相位為同相。通過(guò)設(shè)置電容C1 = C2，調(diào)整電阻R2/R1的比值“N”來(lái)提供濾波器阻尼“α”，可根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇標(biāo)準(zhǔn)電容值并計(jì)算電阻值。
   • 低通配置：圖14b所示的低通SK濾波器，通過(guò)交換R和C元件，使電阻相等，使用C2/C1比值“M”來(lái)設(shè)置濾波器“α”。同樣，可根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇標(biāo)準(zhǔn)電容值并計(jì)算電阻值。為了獲得最佳性能，應(yīng)選擇1%精度、低溫度系數(shù)的金屬膜電阻和1%或2%精度的薄膜電容。在設(shè)計(jì)中，可使用較低的電阻值（10kΩ或更低）來(lái)減少約翰遜噪聲的影響，但需要考慮電容大小和成本的權(quán)衡。同時(shí)，可通過(guò)添加反饋補(bǔ)償電阻來(lái)減少直流誤差。
2. 多反饋濾波器：
   • 高通配置：圖15所示的2極點(diǎn)高通MFB濾波器，通帶增益可由用戶配置，信號(hào)相位為反相。該電路比SK濾波器多一個(gè)調(diào)諧組件，通過(guò)設(shè)置電容C1 = C3，根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)選擇電阻R1和R2。由于輸入電容C1會(huì)使驅(qū)動(dòng)級(jí)看到的負(fù)載具有高電抗，可使用約100Ω的小串聯(lián)輸入電阻來(lái)緩解這一問(wèn)題。
   • 低通配置：圖16所示的2極點(diǎn)低通MFB濾波器，通帶增益可在較寬范圍內(nèi)配置，信號(hào)相位為反相。通過(guò)選擇標(biāo)準(zhǔn)電容C2的值，根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算C1和電阻R1 - R3的值。該濾波器的增益由電阻R2和R1設(shè)置，具有靈活準(zhǔn)確的增益特性，是MFB濾波器中最實(shí)用的類型之一。
   • 帶通配置：圖17所示的2極點(diǎn)帶通MFB濾波器，可提供穩(wěn)定的中等Q值設(shè)計(jì)，適用于頻率高達(dá)幾千赫茲的應(yīng)用。為了保證可預(yù)測(cè)性和穩(wěn)定性，應(yīng)確保OP179/OP279在濾波器中心頻率處的開(kāi)環(huán)增益超過(guò)2Q2。根據(jù)帶通設(shè)計(jì)參數(shù)選擇標(biāo)準(zhǔn)電容C1的值，然后計(jì)算C2和電阻R1 - R3的值。實(shí)際設(shè)計(jì)中，應(yīng)將電阻限制在1kΩ到1MΩ范圍內(nèi)，電容值控制在1μF或更小。

（八）雙向揚(yáng)聲器分頻網(wǎng)絡(luò)

圖18所示的雙向有源分頻網(wǎng)絡(luò)結(jié)合了Sallen - Key和多反饋濾波器的優(yōu)點(diǎn)，采用Linkwitz - Riley類型的濾波器，阻尼因子α為2。在輸出電平為1V rms時(shí)，該網(wǎng)絡(luò)的THD + N小于0.01%，低頻信號(hào)（dc - 500Hz）用于驅(qū)動(dòng)低音揚(yáng)聲器，高頻信號(hào)（> 500Hz）用于驅(qū)動(dòng)高音揚(yáng)聲器。通過(guò)使用直流補(bǔ)償和交流旁路電容，可減少直流偏移誤差和噪聲。該網(wǎng)絡(luò)的輸入為感性負(fù)載，應(yīng)從低阻抗源直接耦合驅(qū)動(dòng)。圖19展示了該濾波器架構(gòu)在5V單電源下的應(yīng)用，可通過(guò)頻率縮放電阻或電容來(lái)改變分頻頻率。

五、總結(jié)與建議

OP179/OP279運(yùn)算放大器以其出色的性能和豐富的功能，為電子工程師在單電源設(shè)計(jì)中提供了一個(gè)強(qiáng)大的工具。在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)具體的需求和場(chǎng)景，合理選擇其工作條件和應(yīng)用電路。同時(shí)，要注意輸入過(guò)壓保護(hù)、容性負(fù)載驅(qū)動(dòng)等問(wèn)題，以確保電路的穩(wěn)定性和可靠性。在使用有源濾波器時(shí)，要選擇合適的濾波器拓?fù)浜驮垣@得最佳的性能。希望通過(guò)本文的介紹，能幫助大家更好地了解和使用OP179/OP279運(yùn)算放大器，在電子設(shè)計(jì)中取得更好的成果。大家在使用過(guò)程中有什么問(wèn)題或者經(jīng)驗(yàn)，歡迎在評(píng)論區(qū)分享討論。