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高精度、低噪声的opax2x系列运算放大器介绍

2020-9-25 17:43:01  80 运算放大器
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特点
•低噪声:3nV/√Hz
•宽带:
–OPA227:8兆赫,2.3伏/微秒
–OPA228:33兆赫,10伏/微秒
•沉降时间:5μs(比OP-27有显著改善)
•高共模抑制比:138 dB
•高开环增益:160 dB
•低输入偏置电流:最大10 nA
•低偏移电压:最大75μV
•宽电源范围:±2.5 V至±18 V
•OPA227取代OP-27、LT1007、MAX427
•OPA228取代OP-37、LT1037、MAX437
•单、双和四个版本
应用
数据采集
•电信设备
•地球物理分析
•振动分析
•光谱分析
•专业音频设备
•有源滤波器
•电源控制
说明
opax2x系列运算放大器结合了低噪声、宽带宽和高精度,使其成为需要交流和精密直流性能的应用的理想选择。
OPA227具有单位增益稳定特性,具有高转换率(2.3V/μs)和宽带宽(8MHz)。OPAx228针对5或更高的闭环增益进行了优化,并提供了更高的速度,转换速率为10V/μs,带宽为33MHz。
OPAx227和OPAx228系列运算放大器是专业音频设备的理想选择。此外,低静态电流和低成本使其成为要求高精度便携式应用的理想选择。
OPAx227和OPAx228系列运算放大器是工业标准OP-27和OP-37的逐针替代品,具有全面的实质性改进。双通道和四通道版本可用于节省空间和降低每个通道的成本。
OPA227、OPA228有DIP-8和SO-8两种包装。OPA4227和OPA4228有DIP-14和SO-14封装,采用标准引脚配置。工作温度为-40°C至85°C。
设备信息

(1)、有关所有可用的软件包,请参阅数据表末尾的订购附录。

典型特征
除非另有说明,否则TA=25°C,RL=10KΩ,VS=±15V。

详细说明
概述
opax2x系列运算放大器结合了低噪声、宽带宽和高精度,使其成为需要交流和精密直流性能的应用的理想选择。OPAx227单元稳定,具有高转换率(2.3V/μs)和宽带(8MHz)。OPAx228针对5或更高的闭环增益进行了优化,并提供了更高的速度,转换速率为10v/μs,带宽为33mhz。
功能框图


特性描述
OPAx22x系列是单位增益稳定,没有意外的输出相位反转,使它易于使用在广泛的应用。在噪声或高阻抗电源的应用中,可能需要离器件引脚很近的去电容器。在大多数情况下,0.1-μF电容器就足够了。
偏移电压和漂移
opax2x系列具有非常低的偏移电压和漂移。为了达到最高的直流精度,应优化电路布局和机械条件。异种金属的连接会在运算放大器的输入端产生热电势,从而降低失调电压和漂移。这些热电偶效应会超过放大器的固有漂移,并最终降低其性能。通过确保两个输入端的热电势相等,可以消除它们。此外:
•保持连接到两个输入端子的热质量相似。
•热源应尽可能远离关键输入电路。
•屏蔽运算放大器和输入电路,使其免受冷却风扇等气流的影响。
工作电压
OPAx22x系列运算放大器在±2.5伏至±18伏的电压范围内工作,具有优异的性能。与大多数只在一个电源电压下指定的运算放大器不同,OPA227系列是为实际应用而设计的;一组规格适用于±5-V至±15-V的电源范围。规格保证适用于±5-V至±15-V电源。有些应用不需要相等的正、负输出电压摆幅。电源电压不需要相等。OPAx22x系列的电源之间的电压最小为5伏,电源之间的电压为36伏。例如,正电源可以设置为25 V,负极电源设置为–5 V,反之亦然。此外,关键参数在规定的温度范围(-40°C至85°C)范围内得到保证。典型特性中显示了随工作电压或温度而显著变化的参数。
偏移电压调整
OPAx22x系列是激光微调的非常低的偏移和漂移,因此大多数应用不需要外部调整。但是,OPA227和OPA228(单一型号)在针脚1和8上提供偏置电压微调连接。如图36所示,可以通过连接电位计来调整偏移电压。此调整只能用于使运算放大器的偏移归零。此调整不应用于补偿系统中其他地方产生的偏移,因为这会导致额外的温度漂移。

输入保护
背靠背二极管(见图37)用于OPAx22x上的输入保护。超过这些二极管的开启阈值,如在脉冲条件下,由于放大器的有限转换率,会导致电流流过输入保护二极管。如果没有外部限流电阻,输入设备可能会被破坏。高输入电流源会对放大器造成细微损坏。虽然该装置可能仍能正常工作,但重要参数,如输入偏移电压、漂移和噪声可能会发生偏移。

当使用OPA227作为单位增益缓冲器(跟随器)时,输入电流应限制在20毫安。这可以通过插入一个反馈电阻或一个电阻串联源来实现。使用方程式1计算足够的电阻器尺寸。

其中:•RX与源串联或插入反馈路径。
例如,对于10 V脉冲(VS=10 V),总回路电阻必须为500Ω。如果源阻抗足够大,足以单独限制电流,则不需要额外的电阻。任何外部电阻器的尺寸必须仔细选择,因为它们会增加噪声。有关噪声计算的更多信息,请参阅本数据表的噪声性能部分。图37显示了一个实现限流反馈电阻器的示例。
输入偏置电流消除
opax2x系列的输入偏置电流通过相等和相反的抵消电流进行内部补偿。产生的输入偏置电流是输入偏置电流和抵消电流之间的差值。剩余输入偏置电流可以是正的也可以是负的。
当以这种方式消除偏置电流时,输入偏置电流和输入偏置电流近似相等。为了消除输入偏置电流的影响而增加的电阻(如图38所示)实际上可能会增加偏移和噪声,因此不建议使用。

噪声性能
图39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)中,不同源阻抗的总电路噪声。两个不同的运算放大器显示与总电路噪声计算。OPA227具有极低的电压噪声,是低源阻抗(小于20 kΩ)的理想选择。一个类似的精密运算放大器,OPA277,有一些更高的电压噪声,但较低的电流噪声。它在中等源阻抗(10 kΩ到100 kΩ)下提供了出色的噪声性能。在100kΩ以上,FET输入运算放大器,如OPA132(非常低的电流噪声)可以提供更好的性能。使用图39中的公式计算总电路噪声。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:k)。有关计算噪波的详细信息,请参见基本噪波计算。

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39所示。由于源阻抗通常是固定的,所以选择运算放大器和反馈电阻,以尽量减少它们对总噪声的贡献。
图39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)中,不同源阻抗的总噪声。运算放大器本身提供电压噪声分量和电流噪声分量。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40显示了带增益的反转和非反转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。两种配置的总噪声方程如下图所示。

图41显示了用于测试OPA227和OPA228噪声的0.1 Hz 10 Hz带通滤波器。滤波电路采用德州仪器公司的FilterPro软件。图42显示了用于噪声测试的OPA227和OPA228的配置。
电磁干扰抑制比(EMIRR)
电磁干扰抑制比(EMI)描述了运算放大器的EMI抗扰度。对许多运算放大器来说,一个常见的不利影响是由于射频信号整流而引起的偏移电压的变化。一个运算放大器,如果能够更有效地抑制由于EMI而引起的偏移量的变化,则具有更高的emir,并通过分贝值量化。测量EMIRR的方法有很多种,但本节提供EMIRR in+,它专门描述了将RF信号应用到运算放大器的非反转输入管脚时的EMIRR性能。一般来说,由于以下三个原因,仅对非转换输入进行EMIRR测试:
1.众所周知,运算放大器的输入引脚对电磁干扰最为敏感,通常比电源或输出引脚更能校正射频信号。
2.无换向和逆变运算放大器的输入具有对称的物理布局,并且显示出几乎匹配的EMIRR性能。
3.EMIRR在非转换管脚上比在其他管脚上更容易测量,因为非转换输入端可以隔离在印刷电路板(PCB)上。这种隔离使得射频信号可以直接应用到不转换的输入终端,而不需要来自其他组件的复杂交互或连接PCB线路。
有关EMIRR IN+定义和测试方法的更正式讨论,请参阅应用报告SBOA128,运算放大器的EMI抑制比。OPA227的EMIRR IN+与频率的关系如图43所示。

如果可用,任何双和四路运算放大器设备版本具有几乎相似的EMIRR IN+性能。OPA227单位增益带宽为8MHz。低于此频率的EMIRR性能表示属于运算放大器带宽内的干扰信号。
表1显示了OPA227在实际应用中常见的特定频率下的EMIRR IN+值。表1中列出的应用可以集中在所示的特定频率上或在其附近运行。这些信息可能对从事此类应用的设计师特别感兴趣,或者在其他领域工作的设计师可能会特别感兴趣,比如工业、科学和医疗(ISM)无线电波段。

EMIRR IN+测试配置
图44显示了测试EMIRR IN+的电路配置。射频源通过传输线连接到运算放大器的非转换输入端。运算放大器配置在单位增益缓冲拓扑中,输出连接到低通滤波器(LPF)和数字万用表(DMM)。运算放大器输入端的大阻抗失配会导致电压反射;然而,在确定EMIRR IN+时,对这种影响进行了描述和说明。由此产生的直流偏移电压由万用表进行采样和测量。LPF将万用表与可能干扰万用表精度的残余射频信号隔离。有关更多详细信息,请参阅SBOA128。

设备功能模式
OPAx22x具有单一功能模式,当电源电压大于5 V(±2.5 V)时,可运行。OPA2X的最大电源电压为36 V(±18 V)。
应用与实施
注意:以下应用章节中的信息不是ti组件规范的一部分,TI不保证其准确性或完整性。TI的客户负责确定组件的适用性。客户应验证和测试其设计实现,以确认系统功能。
申请信息
opax2x系列是一种低噪声的精密运算放大器。OPAx227系列具有单位增益稳定,转换速率为2.3V/μs,带宽为8MHz。OPAx228系列是为更高速的应用而优化的,增益为5或更高,具有10V/μs的转换速率和33MHz的带宽。在噪声或高阻抗电源的应用中,可能需要离器件引脚很近的去耦电容器。在大多数情况下,0.1-μF电容器就足够了。
三极,20 kHz低通,0.5-dB切比雪夫滤波器

长波红外探测器放大器

高性能同步解调器

耳机放大器

三波段主动音调控制(低音、中音和高音)

典型应用

设计要求
1.操作OPAx228增益小于5 V/V
2.容性负载稳定运行
详细设计程序
在低增益中使用OPA228
OPAx228系列适用于信号增益为5或更高的应用,但可以在较低增益下利用其高速性。在没有外部补偿的情况下,OPA228具有足够的相位裕度,以保持单位增益的稳定性,并带有纯电阻负载。然而,负载电容的增加会降低相位裕度,使运算放大器不稳定。
各种补偿技术已经过评估,专门用于OPA228。建议的配置包括一个额外的电容器(CF)与反馈电阻并联,如图51和图52所示。这个反馈电容器用于补偿电路的两个目的。运算放大器的输入电容和反馈电阻相互作用,导致相移,从而导致不稳定。CF补偿输入电容,使峰值最小化。此外,在高频下,输入电容与反馈电容的比值对放大器的闭环增益有很大的影响。因此,可以选择CF以在保持高速的同时产生良好的稳定性。
在没有外部补偿的情况下,OPA228的噪声规格与OPA227相同,增益为5或更大。通过附加的外部补偿,OPA228的输出噪声将更高。噪声的增加量与由CIN/CF比值建立的高频闭环增益的增加直接相关。
图51和图52分别显示了增益为2和–2的推荐电路。图中给出了CF的近似值。由于补偿高度依赖于电路设计、电路板布局和负载条件,应通过实验对CF进行优化,以获得最佳结果。图53和图55显示了在100 pF负载下G=2配置的大信号和小信号阶跃响应电容图54和图56显示了负载电容为100 pF的G=-2配置的大信号和小信号阶跃响应。

应用曲线

电源建议
OPAx22x系列的规定工作电压为5 V至36 V(±2.5 V至±18 V);许多规格适用于-40°C至85°C之间。可显示与与工作电压或温度相关的显著变化的参数见电气特性:OPAx227系列(VS=±5 V至±15 V)。
注意安全
大于36 V的电源电压会永久损坏设备;请参阅绝对最大额定值。
将0.1-μF旁路电容器靠近电源引脚,以减少噪声或高阻抗电源的耦合误差。有关旁路电容器放置的详细信息,请参阅布局指南。
布局
布局指南
为获得设备的最佳操作性能,请使用良好的PCB布局实践,包括:
•噪声可以通过整个电路的电源引脚和运算放大器本身传播到模拟电路中。旁路电容器用于通过提供模拟电路局部的低阻抗电源来降低耦合噪声。
–将低ESR、0.1-μF陶瓷旁路电容器连接在每个电源引脚和接地之间,并尽可能靠近设备。从V+到地的单旁路电容器适用于单电源应用。
•电路模拟和数字部分的单独接地是最简单和最有效的噪声抑制方法之一。通常在一个或多个多层PCB层上。接地板有助于分配热量并减少电磁干扰噪音。确保在物理上分离数字和模拟接地,注意接地电流的流动。有关更多详细信息,请参阅电路板布局技术(SLOA089)。
•为了减少寄生耦合,输入轨迹应尽可能远离电源或输出轨迹。如果这些记录道不能保持分离,则垂直穿过敏感记录道要比与噪声记录道平行要好得多。
•将外部组件尽可能靠近设备。如布局示例所示,保持RF和RG靠近逆变输入,可以使寄生电容最小化。
•输入记录道的长度应尽可能短。始终记住,输入轨迹是电路中最敏感的部分。
•考虑在关键线路周围设置一个驱动的低阻抗保护环。保护环可以显著降低附近不同电位的漏电电流。
•建议在板组装后清洁PCB,以获得最佳性能。
•任何精密集成电路都可能因水分进入塑料包装而发生性能变化。在任何水性PCB清洁过程之后,建议烘烤PCB组件,以去除清洁过程中引入设备包装的水分。在大多数情况下,在85°C的低温清洁后烘烤30分钟就足够了。
布局示例


王栋春 2020-9-25 22:16:44
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