ADA4099-1/ADA4099-2：高性能運算放大器的詳細(xì)解析與應(yīng)用指南

引言

在電子工程師的日常工作中，運算放大器是不可或缺的基本元件。ADA4099 - 1/ADA4099 - 2作為一款高性能的運算放大器，具有諸多獨特的特性，能在多種應(yīng)用場景中大展身手。今天，我們就來深入探究這款運算放大器的各項性能、特點以及應(yīng)用。

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產(chǎn)品概述

ADA4099 - 1和ADA4099 - 2分別為單通道和雙通道的運算放大器，具備高精度、軌到軌輸入/輸出的特性。其輸入工作范圍不僅能覆蓋電源電壓范圍，還能超出此范圍，這種特性被稱為“Over - The - Top”。

關(guān)鍵特性

1. 超寬共模范圍：從(-V{S}-0.1V)到(-V{S}+70V)，這使得它在不同的電壓環(huán)境下都能穩(wěn)定工作。
2. 寬電源電壓范圍：電源電壓范圍為 +3.15V 到 +50V（對于PSRR為 ±25V），能適應(yīng)多種電源配置。
3. 低電源電流：每通道典型值為1.5mA，有助于降低功耗。
4. 低輸入失調(diào)電壓和漂移：最大輸入失調(diào)電壓為 ±40μV，最大輸入失調(diào)電壓漂移為 ±0.4μV/°C，保證了輸出的高精度。
5. 低電壓噪聲：1/f噪聲轉(zhuǎn)角典型值為6Hz，在0.1Hz到10Hz時典型值為150nV p - p，在100Hz時典型值為7nV/√Hz。
6. 高速性能：增益帶寬積（GBP）典型值為8MHz，壓擺率在(Delta V_{OUT } = 25V)時典型值為5.5V/μs。
7. 低功耗關(guān)斷：最大關(guān)斷電流為20μA。
8. 低輸入偏置電流：最大輸入偏置電流為 ±10nA。
9. 高增益和共模抑制比：大信號電壓增益最小為120dB，共模抑制比（CMRR）最小為118dB，電源抑制比（PSRR）最小為123dB。
10. 輸入過驅(qū)動容限：輸入過驅(qū)動時不會出現(xiàn)相位反轉(zhuǎn)，并且具備 ±2kV HBM和 ±1.25kV FICDM的靜電放電保護能力。
11. 寬溫度范圍：H級的工作溫度范圍為 - 55°C到 +150°C。

規(guī)格參數(shù)

不同電源下的性能表現(xiàn)

1. 5V電源：在(V{CM}=2.5V)，SHDN引腳（ADA4099 - 1）和SHDNx引腳（ADA4099 - 2 10 - 引腳LFCSP）開路，負(fù)載電阻(R{L}=499kΩ)到電源中點，環(huán)境溫度(T{A}=25^{circ}C)的條件下，其多項性能指標(biāo)都表現(xiàn)出色。例如，0.1%建立時間在(Delta V{OUT}=pm2V)時為1.5μs，總諧波失真加噪聲（THD + N）在帶寬為80kHz，(f = 10kHz)，(V{OUT}=2V p - p)，(R{L}=10kΩ)時為0.001%。
2. ±15V電源：在(V{CM}=0V)，SHDN引腳（ADA4099 - 1）和SHDNx引腳（ADA4099 - 2 10 - 引腳LFCSP）開路，(R{L}=499kΩ)到地，環(huán)境溫度(T_{A}=25^{circ}C)的條件下，輸入失調(diào)電壓、共模抑制比等參數(shù)也有良好的表現(xiàn)。

絕對最大額定值

1. 電源電壓：瞬態(tài)最大值為60V，連續(xù)最大值為50V。
2. 差分輸入電壓：±80V。
3. ±IN引腳電壓：連續(xù)范圍為 - 5V到 +80V，生存范圍為 - 10V到 +80V。
4. ±IN引腳電流：最大為20mA。
5. SHDN和SHDNx電壓：范圍為 - 0.3V到 +60V。
6. 存儲溫度范圍： - 65°C到 +150°C。
7. 工作溫度范圍： - 55°C到 +150°C。
8. 引腳溫度（焊接，10秒）：300°C。
9. 結(jié)溫：175°C。

散熱相關(guān)參數(shù)

1. 最大功耗：與管殼溫度或芯片結(jié)溫的上升相關(guān)。在約(T{C}=150^{circ}C)（玻璃化轉(zhuǎn)變溫度）時，塑料特性會發(fā)生變化，超過此溫度可能會永久改變器件的參數(shù)性能。超過(T{J}=175^{circ}C)長時間工作可能導(dǎo)致器件失效。
2. 熱阻：不同封裝類型的熱阻不同，如UJ - 6封裝為192°C/W，R - 8封裝為120°C/W等。

靜電放電（ESD）額定值

ADA4099 - 1和ADA4099 - 2的HBM模型耐壓為 ±2kV，F(xiàn)ICDM模型耐壓為 ±1.25kV。由于該器件對ESD敏感，即使有保護電路，也需要采取適當(dāng)?shù)腅SD預(yù)防措施，避免性能下降或功能喪失。

引腳配置與功能描述

ADA4099 - 1（6引腳TSOT封裝）

1. V OUT：放大器輸出引腳。
2. ?V S：負(fù)電源引腳，單電源應(yīng)用時通常焊接到低阻抗接地平面，雙電源應(yīng)用時需用至少0.1μF電容旁路到低阻抗接地平面。
3. +IN：放大器的同相輸入引腳。
4. ?IN：放大器的反相輸入引腳。
5. SHDN：運算放大器關(guān)斷引腳，關(guān)斷閾值約為負(fù)電源上方1V。若該引腳未連接或硬連接到(-V{S})，放大器處于激活狀態(tài)；若置高（(V{SHDN} > -V{S}+1.5V)），放大器進入關(guān)斷狀態(tài)，輸出呈高阻態(tài)。建議在未連接時，在SHDN和(-V{S})之間連接1nF小電容，防止信號耦合。
6. +V S：正電源引腳，需用至少0.1μF電容旁路到低阻抗接地平面。

ADA4099 - 2（不同封裝）

1. 8引腳SOIC_N和8引腳MSOP封裝：包含兩個通道的輸入、輸出引腳以及電源引腳，各引腳功能與ADA4099 - 1類似。
2. 10引腳LFCSP封裝：除了兩個通道的輸入、輸出和電源引腳外，還有兩個獨立的關(guān)斷引腳SHDN1和SHDN2，分別控制兩個通道的關(guān)斷狀態(tài)。

典型性能特性

電源電流特性

電源電流與電源電壓、溫度以及SHDN引腳電壓等因素有關(guān)。例如，隨著電源電壓的升高，電源電流會有一定的變化；在不同溫度下，電源電流也會有所波動。

失調(diào)電壓特性

失調(diào)電壓與溫度、輸入共模電壓等相關(guān)。在不同的電源電壓和溫度條件下，失調(diào)電壓會呈現(xiàn)出不同的變化趨勢。

輸入偏置電流特性

輸入偏置電流在不同的工作模式（正常模式和Over - The - Top模式）下有明顯差異。在Over - The - Top模式下，輸入偏置電流會從正常模式的(<±4nA)增加到約82.5μA。

工作原理

輸入級結(jié)構(gòu)

ADA4099 - 1和ADA4099 - 2有兩個輸入級：

1. 共發(fā)射極差分輸入級：由Q1和Q2 PNP晶體管組成，輸入偏置在(-V{S})到(+V{S})以下1.5V之間時工作。
2. 共基極輸入級：由Q3到Q6 PNP晶體管組成，當(dāng)共模輸入偏置在(>+V_{S}-1.5V)時工作。

輸入保護機制

輸入通過內(nèi)部250Ω電阻保護，可防止輸入電壓臨時波動到(-V_{S})以下10V。增加外部串聯(lián)電阻可進一步擴展保護范圍，但會影響穩(wěn)定性并增加熱噪聲。此外，輸入級還具有相位反轉(zhuǎn)保護功能，輸入和輸出之間沒有鉗位二極管，可承受高達80V的差分過驅(qū)動而不損壞。

Over - The - Top工作模式考慮因素

在Over - The - Top工作模式下，輸入偏置電流和差分輸入阻抗會發(fā)生變化。輸入偏置電流增加，差分輸入阻抗從正常模式的(>100kΩ)降至約600Ω。這會導(dǎo)致噪聲增益增加、整體放大器環(huán)路增益和閉環(huán)帶寬降低、輸出噪聲升高，但同時也會提高閉環(huán)放大器的穩(wěn)定性。

輸出與關(guān)斷特性

輸出特性

輸出在無負(fù)載時可軌到軌擺動至距任一電源45mV以內(nèi)，可提供和吸收約30mA電流。放大器內(nèi)部補償可驅(qū)動至少100pF的負(fù)載電容，在輸出和較大電容負(fù)載之間添加50Ω串聯(lián)電阻可擴展電容驅(qū)動能力。

關(guān)斷特性

ADA4099 - 1和ADA4099 - 2有關(guān)斷引腳，置高時放大器進入低功耗關(guān)斷狀態(tài)，電源電流(<15μA)，輸出呈高阻態(tài)。SHDN或SHDNx引腳可驅(qū)動到絕對最大電壓（相對于(-V_{S})為60V），且電流消耗小。在正常工作時，SHDN或SHDNx可浮空或由外部電壓源拉低。

應(yīng)用信息

大電阻增益操作

由于放大器輸入電容約為12pF，反饋電阻和增益設(shè)置電阻與輸入電容并聯(lián)可能形成極點，影響帶寬、頻率響應(yīng)或?qū)е抡袷帯？稍诜答侂娮枭喜⒙?lián)電容(C{F}>C{IN}(R{G}/R{F}))來消除輸入極點，優(yōu)化動態(tài)性能。

不同增益的推薦值

對于不同的增益需求，有相應(yīng)的推薦電阻值和電容值，以維持理想的小信號帶寬和噪聲性能。例如，增益為 +1時，反饋電阻為0；增益為 +2時，不同的電阻組合會有不同的 - 3dB頻率和總系統(tǒng)噪聲。

噪聲分析

放大器電路的噪聲主要來自電阻的約翰遜噪聲、運放電壓噪聲和輸入電流噪聲。通過合理選擇反饋網(wǎng)絡(luò)的電阻值，可以優(yōu)化噪聲性能。對于ADA4099 - 1和ADA4099 - 2，反饋網(wǎng)絡(luò)電阻的下限約為750Ω，安全值約為30kΩ，可確保運放電壓噪聲起主導(dǎo)作用。

失真分析

放大器的失真主要由輸出交叉失真和非線性共模抑制引起。在反相配置和正常輸入共模范圍內(nèi)，失真可接受；輸入在正常和Over - The - Top模式之間轉(zhuǎn)換時，線性度會顯著下降。降低負(fù)載電阻會增加失真，在反相配置且輸入共模偏置在電源中點的Class A模式下工作可實現(xiàn)最低失真。

功耗和熱關(guān)斷

ADA4099 - 1和ADA4099 - 2可在高達 ±25V的電源上驅(qū)動重負(fù)載，但需確保芯片結(jié)溫不超過175°C。結(jié)溫超過125°C會加速器件老化，超過175°C時熱關(guān)斷功能會觸發(fā)，輸出保持高阻態(tài)，直到結(jié)溫下降20°C?？赏ㄟ^估算結(jié)溫并根據(jù)電源電壓和負(fù)載電阻選擇合適的負(fù)載，避免器件過熱。

電路布局考慮

1. 電源旁路：單電源應(yīng)用時，(-V{S})引腳直接焊接到低阻抗接地平面，(+V{S})引腳用0.1μF低ESR MLCC電容旁路到接地平面，驅(qū)動重負(fù)載時添加10μF電容。雙電源應(yīng)用時，(-V_{S})引腳也需滿足相同條件。
2. 接地：盡量使用接地和電源平面，減少電源和接地回路的電阻和電感。旁路電容應(yīng)靠近 ±V S引腳，另一端連接到接地平面。負(fù)載電流較小時使用至少0.1μF旁路電容，負(fù)載電流較大時增加電容值。輸出到負(fù)載和返回接地平面的走線環(huán)路面積應(yīng)最小化，以降低電感。

   ESD保護

   在供電時，IC對ESD沖擊的反應(yīng)不同，ADA4099 - 1和ADA4099 - 2經(jīng)過了IEC條件下的ESD測試，可采用特定的保護電路將保護能力擴展到 ±8kV ESD沖擊。選擇保護元件時，應(yīng)考慮元件尺寸、脈沖耐受能力等因素。

典型應(yīng)用

±10V到0V到 +5V漏斗放大器

通過特定的電路配置，可實現(xiàn)將 ±10V輸入轉(zhuǎn)換為0V到 +5V輸出，具有高共模抑制比和 ±80V輸入保護能力。

電流檢測應(yīng)用

可用于低側(cè)和高側(cè)電流檢測，實現(xiàn)1V/A的電流檢測功能。

微處理器控制關(guān)斷

在雙電源應(yīng)用中，可通過微處理器控制SHDN引腳，實現(xiàn)放大器的關(guān)斷和激活。

總結(jié)

ADA4099 - 1/ADA4099 - 2運算放大器憑借其超寬的共模范圍、低功耗、高精度等特性，適用于工業(yè)傳感器調(diào)理、前端放大器等多種應(yīng)用場景。在實際設(shè)計中，工程師需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇電源配置、增益設(shè)置、電路布局和保護措施，以充分發(fā)揮該運算放大器的性能優(yōu)勢。大家在使用過程中遇到過哪些有趣的問題或者有什么獨特的應(yīng)用案例嗎？歡迎在評論區(qū)分享交流。