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[经验] OPA211系列精密运算放大器解析

2020-9-8 17:25:16  104 OPA211 运算放大器
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特点
•低压噪声:1kHz时为1.1nV/√Hz
•输入电压噪声:80nVPP(0.1Hz至10Hz)
•THD+N:–136dB(G=1,f=1kHz)
•偏移电压:125μV(最大)
•偏移电压漂移:0.35μV/°C(典型值)
•低电源电流:3.6mA/Ch(典型值)
•UNITY-GAIN稳定
•增益带宽产品:
80MHz(G=100)
45MHz(G=1)
•转换速率:27V/μs
•16位设置:700ns
•宽电源范围:±2.25V至±18V,+4.5V至+36V
•轨对轨输出
•输出电流:30mA
•DFN-8(3mm×3mm)、MSOP-8和SO-8
应用
•锁相环滤波器
•低噪声、低功耗信号处理
•16位ADC驱动程序
•DAC输出放大
•有源滤波器
•低噪声仪表放大器
超声放大器
•专业音频前置放大器
•低噪声频率合成器
红外探测器放大器
•水听器放大器
•检波器放大器
•医学
说明
OPA211系列精密运算放大器实现非常低的1.1nV/√Hz噪声密度,电源电流仅为3.6mA。该系列还提供轨到轨输出摆动,最大限度地扩大动态范围
OPA211系列的极低电压和低电流噪声、高速和宽输出摆幅使这些器件成为PLL应用中环路滤波器放大器的最佳选择。
在精密数据采集应用中,OPA211系列运算放大器在10V输出摆动期间提供700ns稳定时间至16位精度。这种交流性能加上只有125μV的偏移量和0.35μV/°C的温度漂移,使得OPA211非常适合驱动高精度16位模数转换器(ADC)或缓冲高分辨率数模转换器(DAC)的输出。
OPA211系列适用于±2.25V至±18V的宽双电源供电范围,或适用于+4.5V至+36V的单电源操作。
OPA211有小型DFN-8(3mm×3mm)、MSOP-8和SO-8封装。双版本OPA2211可用于DFN-8(3mm×3mm)或SO-8 PowerPAD™ 包裹。该系列运算放大器的规定范围为TA=–40°C至+125°C。

引脚配置

(1)、NC表示没有内部连接。
(2)、暴露在下面的热模垫;将热模垫连接到V–。焊接热垫可提高散热能力并提供特定性能。
(3)、关机功能:
•设备启用:(V-)≤V关机≤(V+)-3V
•设备禁用:VSHUTDOWN≥(V+)-0.35V
典型特征
TA+25°C时,VS=±18V,RL=10kΩ,除非另有说明。

申请信息
OPA211和OPA2211是单位增益稳定,精度非常低的运算放大器。噪声或高阻抗电源的应用要求去电容器靠近器件引脚。在大多数情况下,0.1μF电容器就足够了。图44显示了OPA211的简化示意图。该芯片采用SiGe双极工艺,包含180个晶体管
工作电压
OPA211系列运算放大器可在±2.25V至±18V电源范围内工作,同时保持出色的性能。OPA211系列可在电源之间的最低+4.5V和电源之间高达+36V的情况下工作。但是,有些应用不需要相等的正和负输出电压摆动。对于OPA211系列,电源电压不需要相等。例如,正极电源可以设置为+25V,负极电源设置为-5V,反之亦然。
共模电压必须保持在规定范围内。此外,关键参数在规定的温度范围内得到保证,TA=–40°C到+125°C。典型特性中显示了随工作电压或温度显著变化的参数。

输入保护
OPA211的输入端子通过背靠背二极管防止过大的差分电压,如图45所示。在大多数电路应用中,输入保护电路没有后果。然而,在低增益或G=1的电路中,由于放大器的输出不能对输入斜坡做出足够快的响应,所以快速斜坡输入信号可以使这些二极管向前偏移。典型特征图32说明了这种影响。如果输入信号足够快,足以产生这种正向偏置条件,则输入信号电流必须限制在10mA或以下。如果输入信号电流不受固有限制,则可使用输入串联电阻器来限制信号输入电流。该输入串联电阻器降低了OPA211的低噪声性能,并在本数据表的噪声性能部分进行了讨论。图45显示了一个实现限流反馈电阻器的示例。

关闭
OPA211的关闭(启用)功能参考运算放大器的正电源电压。有效的高值将禁用操作放大器。有效高电压定义为施加在停机销上的正极电源的(V+)-0.35V。有效的低电压定义为正极电源引脚下的(V+)-3V。例如,当VCC为±15V时,设备在12V或以下启动。设备在14.65V或以上禁用。如果使用双电源或分体式电源,应注意确保有效的高输入或有效低输入信号正确参考正电源电压。此引脚必须连接到有效的高或低电压或驱动,而不是留下开路。启用和禁用时间在典型特性部分中提供(参见图41到图43)。禁用时,输出假定为高阻抗状态。
噪声性能
图46显示了在单位增益配置(没有反馈电阻网络,因此没有额外的噪声贡献)的运放源阻抗变化的总电路噪声。两个不同的运算放大器显示与总电路噪声计算。OPA211具有非常低的电压噪声,使其成为低源阻抗(小于2kΩ)的理想选择。一个类似的精密运算放大器,OPA227,有较高的电压噪声,但较低的电流噪声。它在中等源阻抗(10kΩ到100kΩ)下提供了出色的噪声性能。在100kΩ以上,FET输入运放,如OPA132(非常低的电流噪声)可以提供更好的性能。图46中的方程式用于计算总电路噪声。注意,en=电压噪声,In=电流噪声,RS=源阻抗,k=玻尔兹曼常数=1.38×10–23 J/k,T是温度,单位:开氏度。

基本噪声计算
低噪声运算放大器电路的设计需要仔细考虑各种可能的噪声因素:来自信号源的噪声、运算放大器中产生的噪声以及来自反馈网络电阻器的噪声。电路的总噪声是所有噪声分量的平方根和组合。
源阻抗的电阻部分产生与电阻平方根成比例的热噪声。该函数如图46所示。源阻抗通常是固定的;因此,选择运放和反馈电阻,以尽量减少各自对总噪声的贡献。
图46描述了在单位增益配置下,运放的不同源阻抗的总噪声(没有反馈电阻网络,因此没有额外的噪声贡献)。运算放大器本身同时产生电压噪声分量和电流噪声组件。该电压噪声通常被建模为偏置电压的时变分量。电流噪声被建模为输入偏置电流的时变分量,并与源电阻反应产生噪声的电压分量。
因此,给定应用的最低噪声运算放大器取决于源阻抗。对于低源阻抗,电流噪声可以忽略不计,电压噪声通常占主导地位。对于高源阻抗,电流噪声可能占主导地位。
图47说明了带增益的逆变和非逆变运算放大器电路配置。在有增益的电路配置中,反馈网络电阻也会产生噪声。运算放大器的电流噪声与反馈电阻反应,产生额外的噪声分量。通常可以选择反馈电阻值,使这些噪声源可以忽略不计。给出了两种结构的总噪声方程。

总谐波失真测量
OPA211系列运算放大器具有优良的失真特性。在整个音频范围,20Hz到20kHz,负载为600Ω时,THD+噪声低于0.0002%(G=+1,VOUT=3VRMS)。
OPA211系列运算放大器产生的失真低于许多商用失真分析仪的测量极限。然而,图48所示的特殊测试电路可用于扩展测量能力。
运算放大器失真可以被认为是一个内部误差源,可以参考输入。图48显示了导致运算放大器失真比通常由运算放大器产生的失真大101倍的电路。在其他标准的非互易放大器配置中加入R3会改变电路的反馈系数或噪声增益。闭环增益不变,但可用于纠错的反馈减少了101倍,从而将分辨率提高了101倍。注意,应用于运算放大器的输入信号和负载与没有R3的传统反馈相同。R3的值应保持较小,以尽量减少其对失真测量的影响。
该技术的有效性可以通过在高增益和/或高频下重复测量来验证,其中失真在测试的测量能力范围内设备.测量本数据表采用音频精密系统双失真/噪声分析仪制作,大大简化了重复测量。然而,测量技术可以用手动畸变测量仪器来执行。
电应力过大
设计者经常问运算放大器承受过大电应力的能力。这些问题往往集中在设备输入上,但可能涉及电源电压引脚,甚至输出引脚。每一种不同的引脚功能都具有由特定半导体制造工艺和连接到引脚的特定电路的电压击穿特性决定的电应力极限。此外,内部静电放电(ESD)保护内置在这些电路中,以防止在产品装配之前和过程中发生意外的ESD事件。
有助于更好地理解这一基本的ESD电路及其与电气过应力事件的相关性。OPA211中包含的ESD电路示意图(用虚线区域表示)。ESD保护电路包括几个电流控制二极管,这些二极管从输入和输出引脚连接起来,并返回到内部电源线,在那里,它们在操作系统内部的吸收装置处会合放大器。这个保护电路在正常电路运行期间保持不活动状态。

ESD事件会产生一个持续时间短的高压脉冲,当它通过半导体器件放电时,该脉冲被转换成持续时间短、电流大的脉冲。ESD保护电路设计用于在运算放大器核心周围提供电流通路,以防止其损坏。保护电路吸收的能量随后以热量的形式散失。
当一个ESD电压在两个或多个放大器器件引脚上形成时,电流流过一个或多个转向二极管。根据电流的路径,吸收装置可能会被激活。吸收装置的触发电压或阈值电压高于OPA211的正常工作电压,但低于器件击穿电压水平。一旦超过这个阈值,吸收装置会迅速启动,并将电源轨上的电压保持在安全水平。
如图49所示,当ESD应用于电路中时,将其连接到电路中。然而,当外加电压超过给定引脚的工作电压范围时,可能会出现这种情况。如果出现这种情况,则存在一些内部ESD保护电路可能偏压并传导电流的风险。任何这样的电流都是通过导向二极管路径产生的,很少涉及吸收装置。
图49描述了一个具体的例子,其中输入电压VIN超过正电源电压(+VS)500毫伏或更多。电路中发生的大部分情况取决于电源特性。如果+VS可以吸收电流,则上部输入转向二极管之一将电流导至+与过度随着车辆识别号(VIN)越来越高,电流水平可能会越来越高。因此,数据表规范建议应用程序将输入电流限制在10mA。
如果电源不能吸收电流,VIN可以开始向运算放大器提供电流,然后作为正电源电压源接管。这种情况下的危险是电压可能上升到超过运算放大器绝对最大额定值的水平。在极端但罕见的情况下,吸收装置会在+VS和-VS作用时触发。如果发生此事件,则在+VS和–VS电源之间建立直流路径。吸收装置的功耗很快就被超过,极端的内部加热会破坏运算放大器。
另一个常见的问题是,当电源+VS和/或-VS为0V时,如果输入信号被施加到输入端,放大器会发生什么情况。同样,这取决于在0V或低于输入信号幅度的电平下的电源特性。如果电源显示为高阻抗,则运算放大器电源电流可由输入源通过电流控制二极管提供。这种状态不是正常的偏压状态;放大器很可能不会正常工作。如果电源阻抗低,则通过转向二极管的电流可能会变得相当高。电流水平取决于输入源传输电流的能力,以及输入路径中的任何电阻。
热因素
所有半导体器件的一个主要问题是结温(TJ)。最明显的考虑是确保TJ永远不会超过设备规定的绝对最大额定值。然而,寻址设备散热除了保护设备免受损坏外,还有其他好处。即使适度提高结温也会降低运算放大器的性能,与温度相关的误差也会累积。了解设备在特定应用中产生的功率,并评估热效应对误差容限的影响,有助于更好地了解系统性能和散热需求。对于双通道产品,必须确定两个通道产生的最坏情况功率。带有热垫的产品(DFN和PowerPAD设备)提供远离结的最佳热传导;请参见电气特性部分中从结到焊盘的热阻参数(θJP)。使用带有热垫的封装提高了散热性。该设备通过仔细的电路板和系统设计实现其最佳性能,这些设计考虑了板厚、金属层、组件间距、气流和板方向等特性。
DFN包
OPA211是在DFN-8包中提供的(也称为SON)。DFN封装是一种QFN封装,引线触点仅位于封装底部的两侧。这种无铅封装最大限度地扩大了电路板空间,并通过一个裸露的焊盘增强了热特性和电气特性。
DFN包在物理上很小,路由面积更小,热性能得到改善,电寄生性能也得到了改善。此外,没有外部引线消除了引线弯曲的问题。
DFN封装可以使用标准印刷电路板(PCB)组装技术轻松安装。请参阅应用说明QFN/SON PCB附件(SLUA271)和应用报告Quad Flatpack无引线逻辑封装(SCBA017)。
包装底部外露的引线框架模具垫必须连接到V–。焊接热垫可提高散热能力并实现特定的设备性能。
DFN布局指南
DFN封装上裸露的引线框架模具垫应焊接到PCB上的热垫上。本数据表末尾附有显示布局示例的机械图。根据装配工艺要求,可能需要对该布局进行改进。本数据表末尾的机械图纸列出了包装和衬垫的物理尺寸。平台图案中的五个孔是可选的,用于连接引线框架模架垫和PCB上散热片区域的热通孔。
在温度循环、按键、封装剪切和类似的板级测试中,焊接暴露的焊盘显著提高了板级可靠性。即使是低功耗的应用,裸露的焊盘也必须焊接到PCB上,以提供结构完整性和长期可靠性。
电源板设计的一般注意事项
OPA2211提供热增强型SO-8 PowerPAD封装。这个包装是使用一个下装引线框架,模具安装在上面,如图50(a)和图50(b)所示。这种布置导致引线框架暴露在封装底部,如图50(c)所示。该热垫与模具直接热接触;因此,通过提供远离热垫的良好热路径,可获得优异的热性能。
PowerPAD包允许在一个制造操作中同时进行装配和热管理。在表面贴装焊料操作过程中(引线焊接时),必须将热焊盘焊接到封装下方的铜区域。通过在这个铜区域内使用热路径,热量可以从封装件传导到接地层或其他散热装置中。始终需要将PowerPAD焊接到印刷电路板(PCB),即使在低功耗的应用中也是如此。该技术在引线框架模架垫和PCB之间提供必要的热连接和机械连接。
电源板必须连接到设备上最负的电源电压(V-)。
1、用顶面蚀刻准备PCB模式。那里应蚀刻引线和蚀刻热垫。
2、 在隔热垫区域放置推荐的孔。SO-8 DDA封装的理想热焊盘尺寸和热通孔模式可在技术简报PowerPAD热增强包(SLMA002)中找到。这些孔的直径应为33mm。保持它们很小,这样焊料芯吸通过孔在回流焊期间不是问题。示例热着陆模式机械图附于本数据表末尾。
3、 可在热垫区域外沿热平面的任何位置设置额外的通孔,以帮助消散OPA2211 SO-8产生的热量。这些额外的通孔可能比热垫正下方直径为13密耳的通孔大。它们可以更大,因为它们不在要焊接的热垫区域;因此,芯吸不是问题。
4、 将所有孔连接到与V-引脚电压相同的内部平面。
5、 将这些孔连接到内部平面时,不要使用典型的腹板或轮辐连接方法。网络连接有一个高热阻连接,有助于减缓焊接过程中的热传递。这种配置使得具有平面连接的通孔的焊接更加容易。然而,在这种应用中,为了实现最有效的热传递,需要低热阻。因此,OPA2211 PowerPAD封装下的孔应与内部平面连接,并围绕电镀通孔的整个圆周进行完整连接。
6、 顶部焊锡面罩应使封装的端子和热焊盘区域露出六个孔。底部的焊接面罩应覆盖热焊盘区域的孔。这种掩蔽可以防止焊料在回流焊过程中被拉离热焊盘区域。
7、 将锡膏涂在外露的热垫区域和所有IC端子上。
8、 准备好这些准备步骤后,只需将OPA2211 SO-8集成电路放置到位,并将芯片作为任何标准表面贴装元件进行焊接回流焊操作。此准备工作可使零件正确安装。


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