15 MHz Rail-to-Rail 運(yùn)算放大器 OP162/OP262/OP462 深度解析

在電子工程師的日常設(shè)計(jì)工作中，運(yùn)算放大器是不可或缺的基礎(chǔ)元件。一款性能優(yōu)異的運(yùn)算放大器能夠?yàn)?a href="http://www.brongaenegriffin.com/v/tag/167/" target="_blank">電路設(shè)計(jì)帶來(lái)諸多便利和優(yōu)勢(shì)。今天，我們就來(lái)深入了解一下 Analog Devices 推出的 15 MHz Rail-to-Rail 運(yùn)算放大器 OP162/OP262/OP462。

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一、產(chǎn)品概述

OP162（單通道）、OP262（雙通道）和 OP462（四通道）這三款運(yùn)算放大器具備 15 MHz 的寬帶寬，能夠滿足新設(shè)計(jì)對(duì)速度的要求。它們擁有極低的失調(diào)電壓（典型值 45 μV）和低噪聲（1kHz 時(shí)為 (9.5 nV / sqrt{Hz})），非常適合精密濾波器應(yīng)用和儀器儀表。同時(shí)，其典型的低電源電流為 500 μA，對(duì)于便攜式或高密度設(shè)計(jì)至關(guān)重要。此外，Rail-to-Rail 輸出擺幅相比標(biāo)準(zhǔn)視頻放大器提供了更大的動(dòng)態(tài)范圍和更好的控制能力。

這些產(chǎn)品可以在低至 2.7 V 的單電源到 ±6 V 的雙電源下工作?？焖俚慕r(shí)間和寬輸出擺幅使其適用于采樣 A/D 轉(zhuǎn)換器的緩沖器。30 mA（灌電流和拉電流）的輸出驅(qū)動(dòng)能力滿足了許多音頻和顯示應(yīng)用的需求，并且在有限的時(shí)間內(nèi)可以提供更大的輸出電流。OPx62 系列在擴(kuò)展的工業(yè)溫度范圍（–40°C 到 +125°C）內(nèi)都有出色的表現(xiàn)。

二、產(chǎn)品特性

（一）電氣特性

在不同的電源電壓下，OP162/OP262/OP462 展現(xiàn)出了穩(wěn)定且優(yōu)異的電氣特性。

1. 輸入特性：失調(diào)電壓低，不同等級(jí)和溫度范圍下有不同的指標(biāo)。例如，在 (V{S}=5.0 V)、(V{CM}=0 V)、(T_{A}=25^{circ} C) 條件下，OP162G、OP262G、OP462G 的失調(diào)電壓典型值為 45 μV，最大值為 325 μV。輸入偏置電流和輸入失調(diào)電流也在合理范圍內(nèi)，保證了信號(hào)輸入的準(zhǔn)確性。
2. 輸出特性：輸出電壓擺幅能夠接近電源軌，在不同負(fù)載電流下有不同的表現(xiàn)。例如，在 (V_{S}=5.0 V) 時(shí)，負(fù)載電流為 250 μA 時(shí)，輸出高電壓擺幅典型值為 4.99 V，輸出低電壓擺幅典型值為 14 mV。
3. 電源特性：電源抑制比高，能夠有效抑制電源波動(dòng)對(duì)輸出信號(hào)的影響。在 (V_{S}=2.7 V) 到 7 V 范圍內(nèi)，電源抑制比典型值可達(dá) 120 dB。同時(shí)，每個(gè)放大器的電源電流較低，在不同溫度和電源電壓下有不同的指標(biāo)。
4. 動(dòng)態(tài)性能：具有高轉(zhuǎn)換速率（典型值為 13 V/μs）、快速的建立時(shí)間和 15 MHz 的增益帶寬積，能夠快速響應(yīng)輸入信號(hào)的變化。
5. 噪聲性能：電壓噪聲和電流噪聲密度低，在 1kHz 時(shí)，電壓噪聲密度典型值為 (9.5 nV / sqrt{Hz})，電流噪聲密度典型值為 (0.4 pA / sqrt{Hz})，保證了輸出信號(hào)的純凈度。

（二）封裝形式

OP162 采用 8 引腳 SOIC 封裝；OP262 有 8 引腳 SOIC 和 TSSOP 封裝；OP462 則提供 14 引腳窄體 SOIC 和 TSSOP 封裝，方便工程師根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行選擇。

（三）絕對(duì)最大額定值

為了保證器件的安全和可靠性，需要注意其絕對(duì)最大額定值。例如，電源電壓為 ±6 V，輸入電壓為 ±6 V，差分輸入電壓為 ±0.6 V 等。超過(guò)這些額定值可能會(huì)導(dǎo)致器件永久性損壞。

三、典型性能特性

通過(guò)一系列的圖表，我們可以直觀地了解 OP162/OP262/OP462 的典型性能特性。

1. 輸入特性相關(guān)：輸入失調(diào)電壓分布、輸入失調(diào)電壓隨溫度的變化、輸入偏置電流隨溫度和共模電壓的變化等圖表，展示了器件在不同條件下的輸入性能穩(wěn)定性。
2. 輸出特性相關(guān)：輸出高電壓和低電壓隨溫度的變化、開(kāi)環(huán)增益隨溫度的變化、輸出低電壓與負(fù)載電流的關(guān)系等圖表，反映了器件的輸出性能。
3. 其他特性相關(guān)：電源電流隨溫度和電源電壓的變化、開(kāi)環(huán)增益和相位與頻率的關(guān)系、步長(zhǎng)與建立時(shí)間的關(guān)系、小信號(hào)過(guò)沖與電容的關(guān)系等圖表，為工程師在設(shè)計(jì)電路時(shí)提供了重要的參考依據(jù)。

四、應(yīng)用與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（一）功能描述

OPx62 系列采用了 Analog Devices 的高速互補(bǔ)雙極工藝（XFCB），通過(guò)溝槽隔離每個(gè)晶體管，降低了寄生電容，實(shí)現(xiàn)了高速性能。同時(shí)，該工藝還保證了出色的晶體管匹配和整體直流性能。輸入級(jí)采用 PNP 差分對(duì)，通過(guò)交叉連接發(fā)射極降低了跨導(dǎo)，提高了轉(zhuǎn)換速率并降低了噪聲。輸出級(jí)采用共發(fā)射極配置的互補(bǔ)晶體管，使得輸出能夠在負(fù)載電流小于 1 mA 時(shí)接近電源軌 50 mV 以內(nèi)。

（二）失調(diào)調(diào)整

由于 OP162/OP262/OP462 的典型失調(diào)電壓極低，通?？赡懿恍枰M(jìn)行失調(diào)電壓調(diào)整。但對(duì)于 OP162，可以通過(guò)在引腳 1 和引腳 8 之間連接一個(gè)電位器，并將滑動(dòng)端連接到 (VCC) 來(lái)進(jìn)行失調(diào)電壓調(diào)整。推薦的電位器值為 20 kΩ。

（三）Rail-to-Rail 輸出

該系列運(yùn)算放大器具有寬輸出電壓范圍，在負(fù)載電流為 5 mA 時(shí)，輸出能夠接近每個(gè)電源軌 60 mV 以內(nèi)。減小負(fù)載電流可以使輸出電壓范圍更接近電源軌。在需要 Rail-to-Rail 輸出擺幅時(shí)，建議有一定的最小增益，最小增益可以通過(guò)公式 (A{V, min }=frac{V{S}}{V{S}-1}) 計(jì)算，其中 (V{s}) 是正電源電壓。例如，在單電源電壓為 5 V 時(shí)，實(shí)現(xiàn) Rail-to-Rail 輸出的最小增益應(yīng)為 1.25。

（四）輸出短路保護(hù)

為了實(shí)現(xiàn)寬帶寬和高轉(zhuǎn)換速率，OP162/OP262/OP462 的輸出沒(méi)有短路保護(hù)。直接將輸出短路到地或電源軌可能會(huì)損壞器件，典型的最大安全輸出電流為 ±30 mA。在需要一定輸出電流保護(hù)的應(yīng)用中，可以在輸出端串聯(lián)一個(gè)低值電阻。對(duì)于單 5 V 電源應(yīng)用，不推薦使用小于 169 Ω 的電阻。

（五）輸入過(guò)壓保護(hù)

輸入電壓應(yīng)限制在 ±6 V 以內(nèi)，否則可能會(huì)損壞器件。輸入級(jí)的靜電保護(hù)二極管可以幫助保護(hù)放大器免受靜電放電的影響。當(dāng)輸入電壓超過(guò)電源電壓 0.6 V 或差分輸入電壓大于 0.6 V 時(shí)，這些二極管會(huì)導(dǎo)通，可能導(dǎo)致過(guò)壓損壞。為了防止器件損壞，可以在可能過(guò)載的輸入端串聯(lián)一個(gè)外部電阻，將輸入電流限制在小于 5 mA。

（六）輸出相位反轉(zhuǎn)

只要輸入電壓限制在 ±6 V 以內(nèi)，OP162/OP262/OP462 就不會(huì)出現(xiàn)相位反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。但當(dāng)輸入電壓超過(guò)電源電壓時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生大電流，損壞器件。在這種情況下，應(yīng)使用過(guò)壓保護(hù)措施。

（七）功率耗散

OP162/OP262/OP462 的最大安全功率耗散受到結(jié)溫上升的限制，最大安全結(jié)溫為 150°C。超過(guò)這個(gè)溫度限制會(huì)影響器件性能，長(zhǎng)時(shí)間處于過(guò)熱狀態(tài)可能會(huì)導(dǎo)致器件永久性損壞?？梢酝ㄟ^(guò)公式 (T{I}=P{D I S S} × theta{I A}+T{A}) 計(jì)算內(nèi)部結(jié)溫，其中 (T{1}) 是結(jié)溫，(P{DISS }) 是功率耗散，(theta{LA }) 是封裝熱阻，(T{A}) 是環(huán)境溫度。功率耗散可以通過(guò)公式 (P{DISS }=I{LOAD } timesleft(V{S}-V{OUT }right)) 計(jì)算。

（八）未使用放大器的處理

對(duì)于雙通道或四通道封裝中未使用的放大器，建議將其配置為單位增益跟隨器，在反相輸入端和輸出端之間連接一個(gè) 1 kΩ 的反饋電阻，并將同相輸入端連接到地平面。

（九）上電建立時(shí)間

在一些對(duì)上電敏感的應(yīng)用中，運(yùn)算放大器輸出在上電后達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間是一個(gè)重要的考慮因素。OPx62 系列在上電后具有快速的建立時(shí)間。

（十）容性負(fù)載驅(qū)動(dòng)

OP162/OP262/OP462 能夠承受一定的容性負(fù)載，但隨著負(fù)載電容的增加，單位增益帶寬會(huì)降低，輸出過(guò)沖和建立時(shí)間會(huì)增加?？梢酝ㄟ^(guò)連接一個(gè)串聯(lián)的 R-C 網(wǎng)絡(luò)（即“緩沖器”網(wǎng)絡(luò)）來(lái)消除振鈴并顯著降低過(guò)沖。

（十一）總諧波失真和串?dāng)_

OPx62 系列具有低總諧波失真，非常適合音頻應(yīng)用。同時(shí)，其通道間的串?dāng)_也較低，保證了信號(hào)的獨(dú)立性。

（十二）PCB 布局考慮

由于 OP162/OP262/OP462 能夠在高頻下提供增益，因此在 PCB 布局和元件選擇時(shí)需要特別注意。良好的接地平面是實(shí)現(xiàn)最佳性能的關(guān)鍵，可以有效減少接地環(huán)路和 I × R 損耗的不良影響。建議使用多層板設(shè)計(jì)，并將其中一層指定為接地平面。在電源旁路方面，應(yīng)使用貼片電容，將電容的一端連接到接地平面，另一端連接到每個(gè)電源引腳的 1/8 英寸以內(nèi)。此外，還應(yīng)并聯(lián)一個(gè) 4.7 μF 到 10 μF 的大型鉭電解電容，為器件輸出的快速大信號(hào)變化提供電流。

五、應(yīng)用電路示例

（一）單電源立體聲耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器

該電路可以在單 5 V 電源下工作，通過(guò)兩個(gè) 100 kΩ 電阻分壓得到參考電壓。音頻信號(hào)通過(guò) 10 μF 電容交流耦合到每個(gè)同相輸入端，放大器的增益由反饋電阻控制。在輸出端串聯(lián)一個(gè) 169 Ω 電阻進(jìn)行短路保護(hù)，使用 270 μF 電容將放大器與耳機(jī)耦合。

（二）儀器儀表放大器

利用 OP162/OP262/OP462 的高速、低失調(diào)電壓和低噪聲特性，可以設(shè)計(jì)高精度的儀器儀表放大器。電路的差分增益由 (R{G}) 決定，通過(guò)調(diào)整 (R{G}) 可以改變?cè)鲆?。第四運(yùn)放 OP462-D 可以用于提高共模抑制比。

（三）直接訪問(wèn)安排

該電路是一個(gè) 5 V 單電源收發(fā)電話線路接口，適用于 600 Ω 傳輸系統(tǒng)。放大器 A1 和 A2 為變壓器提供增益，放大器 A3 作為差分放大器提取接收信息，放大器 A4 對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行放大。通過(guò)調(diào)整 A1 和 A4 的增益，可以滿足調(diào)制解調(diào)器的輸入輸出信號(hào)要求。

六、總結(jié)

OP162/OP262/OP462 運(yùn)算放大器以其高速、高精度、低噪聲和寬電源電壓范圍等優(yōu)點(diǎn)，為電子工程師在各種應(yīng)用場(chǎng)景下提供了可靠的選擇。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們需要充分了解其特性和設(shè)計(jì)要點(diǎn)，合理布局 PCB，以確保電路的性能和可靠性。希望本文能夠?yàn)榇蠹以谑褂?OP162/OP262/OP462 時(shí)提供一些幫助。大家在實(shí)際應(yīng)用中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。