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精密微功耗单电源运算放大器OP777/727/747
Precision Micropower Single-Supply Operational Amplifiers:OP777/727/747
■国营七七七总厂 刘邦彦、刘智慧
ADI公司的OP777、OP727和OP747分别是精密的单、双和四个轨至轨输出的单电源放大器,具有微功耗工作和轨至轨输出范围的特点。这些放大器与用 15V电源工作的工业标准OP07相比,性能得到了改进,并且具有适于在低至2.7V的单电源下工作的优点,同时能够选择更小的封装形式。在带超过500PF的容性负载时,输出也是稳定的。在5V供电的情况下,每个放大器的电源电流小于300 A。用500 的串联电阻保护输入端,允许其输入信号电平高于正电源数伏,而不会有相位反转。

这些放大器的应用包括:电源供电仪表和便携式仪表、遥控探测器信号的处理和精密滤波器等。

OP777/OP727/OP747放大器采用了精密的双极型PNP输入级与高压CMOS输出级相结合的结构。这使得该放大器具有输入电压范围包含负电源电压(在单电源应用时,通常为地)的特点,同时也能使输出摆动到距电源只有1mV的位置。另外,输入电压范围也扩展到距正电源不到1V。外延PNP输入结构提供了高击穿电压、高增益,而输入偏置电流的数值与"达林顿"输入级放大器所公认的数值相差不大。PNP输入结构也大大地降低了噪声和直流输入误差项。

电源电压

这些放大器由于设计和工艺的改进,全部规定在5V单电源下工作,也能用从2.7V直到30V的电源电压工作。比起传统的双电源放大器,有利于增加输入和输出电压范围。OP777/OP727/OP747系列在失调受电源或共模电压影响最小的情况下是额定的。用 15V双电源工作也是完全额定的。

共模输入电压范围

OP777/OP727/OP747的额定输入共模电压为从负电源直到距正电源不到1V,然而在输入电压稍低于VEE时放大器仍能工作。在图1中,OP777/OP727/OP747用3V单电源和加在输入端上负的直流共模电压构成差动放大器,其次把一个400mVp-p的输入加到同相输入端。其输出没有呈现任何失真。通过使用大的输入电阻和反馈电阻来维持微功耗。

输入过压保护

当放大器的输入低于VEE或高于VCC一个二极管压降时,大电流将会分别从衬底(V-)或正电源(V+)流到输入管脚,这可能损坏器件。OP777/OP727/OP747具有500 的内设电流限制电阻,它与输入端相串联,使损坏的几率减至最小。同时,也应该注意,输入晶体管的高击穿电压使得放大器的输入端之间没有必要加箝位二极管。这种箝位二极管对很多应用电路,比如像精密整流器和比较器都会产生很大影响。

相位反转

当迫使一个或两个输入端超过输入共模电压范围时,很多放大器就会出现工作不正常。通过放大器的传递函数,实际上是颠倒转换极性来代表相位反转。在某种情况下,这可能在伺服系统中引起闭锁,并可能造成永久损坏或不可恢复的放大器参数漂移。许多放大器有补偿电路来阻止这些情况,但有些只是对反相输入有效。此外,很多这类线路仅能工作在超过电源电压几百毫伏的情形。当运放的一个或两个输入端被强行超过其输入共模电压范围时,OP777/OP727/OP747具有保护电路来防止出现相位反转。建议不要用超过电源电压3V以上的信号持续地驱动该器件。

输出级

CMOS输出级具有极好的(并相当对称的)输出驱动能力,而且在带有轻负载的情况下,可以摆动到距两个电源电压不到1mV。OP777/OP727/OP747在电压跟随器组态下是稳定的,并且在单电源应用时,能对低至地电平以上1mV的信号响应。

对OP777/OP727/OP747系列放大器的输出加以保护,避免遭受任何一个电源意外短路而造成的损坏。只要不长期地超过最大芯片的结温,高达30mA的电流不会引起任何损坏。

低端电流检测器

在电源控制电路中,大量的设计工作都集中在很宽负载电流条件下导通晶体管的长期可靠性上,从而检测和限制器件的功耗是这类设计中最重要的内容。图2表示的是一个5V单电源电流检测器的例子,可以把它加入到带有折回型电流限制的一个电压调节器或带有急剧短路保护的大电流电源的设计中。该设计利用OP777扩展到地的共模范围,检测电源返回通路中的电流。0.1 的分流电阻RSENSE上产生一个非常小的压降,由于Q1的反馈,反相端上的电压等于同相端上的电压(Q1是2N2222或等效的NPN晶体管)。这就使得R1两端的电压降等于RSENSE两端的电压降。因此,通过Q1的电流与通过RSENSE的电流成正比。而输出电压由下式给出:

V_{OUT}=5V-({R2}\over{R1} R_{SENSE} I_{L})

R2两端的电压降随着IL的增加而增加,这样VOUT就随着被检测电源电流的变大而降低。对于所给的元件值,当返回线路中的电流为1A时,VOUT为2.5V。

OP777/OP727/OP747在许多电桥应用中是很有用的,图3表示的是一个单电源的电桥电路,它的输出与电桥的相对偏差( )成线性比例关系,其中 = R/R。
在可用双电源的系统中,可以采用图4的电路来检测与电桥相对偏差线性相关的电桥输出。
图5表示的是单电源电流源,使用大电阻来维持微功耗的运行。可以通过改变R2B电阻来调节输出电流,依从电压为:|V_{L}|≤|V_{SAT}|-|V_{S}|。
使用一个OP727放大器的单电源仪用放大器如图6所示。为了调节差异,使{R3}\over{R4}={R1}\over{R2}。电路在直流下的CMRR公式为:CMRR=20log(100/(1-(R2 R3)/(R1 R4))。一般按照电阻与电阻比率的失配来规定电阻网络的精度,为了反映这一点,可以重写CMRR公式:CMRR=20log(10000/%失配)。从两个电阻比率和相对漂移的观点来看,高CMRR的关键是电阻网络的良好匹配。应该注意,电阻的绝对大小和它们的绝对漂移不是很重要的,匹配是关键。当电阻网络的失配为0.1%的情况下,CMRR是100dB。为了使CMRR最大,应当对一个电阻,比如R4进行修正。在一个封装里的两个运放(OP727)匹配得更紧密,所以比起三个运放组态来,性能有明显地提高。

         
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