精密軌到軌輸入輸出運(yùn)算放大器 OP184/OP284/OP484：設(shè)計(jì)與應(yīng)用全解析

在電子工程師的日常設(shè)計(jì)工作中，運(yùn)算放大器是一個(gè)至關(guān)重要的組件，它的性能優(yōu)劣直接影響到整個(gè)電路的表現(xiàn)。今天，我們就來(lái)深入探討一下 Analog Devices 推出的 OP184/OP284/OP484 精密軌到軌輸入輸出運(yùn)算放大器，看看它在設(shè)計(jì)和應(yīng)用方面有哪些獨(dú)特之處。

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一、器件概述

OP184/OP284/OP484 分別為單通道、雙通道和四通道單電源、4MHz 帶寬放大器，具備軌到軌輸入輸出特性，能在 3V 至 36V（或±1.5V 至±18V）的寬電源電壓范圍內(nèi)穩(wěn)定工作。其工作溫度范圍為 -40°C 至 +125°C，適用于多種工業(yè)環(huán)境。

（一）產(chǎn)品特性

1. 單電源操作：可在單電源環(huán)境下運(yùn)行，為設(shè)計(jì)帶來(lái)了極大的便利性，尤其是在電池供電的設(shè)備中。
2. 寬帶寬：擁有 4MHz 的帶寬，能夠處理高頻信號(hào)，滿足多種應(yīng)用的需求。
3. 低失調(diào)電壓：失調(diào)電壓最低可達(dá) 65μV，保證了高精度的信號(hào)處理。
4. 單位增益穩(wěn)定：在單位增益情況下能保持穩(wěn)定工作，減少了設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。
5. 高轉(zhuǎn)換速率：轉(zhuǎn)換速率達(dá)到 4.0V/μs，可快速響應(yīng)信號(hào)變化。
6. 低噪聲：噪聲僅為 3.9nV/√Hz，有效降低了對(duì)微弱信號(hào)的干擾。

（二）應(yīng)用場(chǎng)景

1. 電池供電儀器：低功耗和單電源操作特性使其非常適合用于電池供電的儀器設(shè)備，延長(zhǎng)電池使用壽命。
2. 電源控制與保護(hù)：可用于監(jiān)測(cè)和控制電源的輸出，確保電源的穩(wěn)定性和安全性。
3. 電信領(lǐng)域：在電信系統(tǒng)中，可用于信號(hào)放大、濾波等環(huán)節(jié)，提高信號(hào)質(zhì)量。
4. DAC 輸出放大器：為 DAC 提供低噪聲、高帶寬的放大，確保輸出信號(hào)的準(zhǔn)確性。
5. ADC 輸入緩沖器：作為 ADC 的輸入緩沖，減少信號(hào)源對(duì) ADC 的影響，提高采樣精度。

二、關(guān)鍵參數(shù)規(guī)格

（一）電氣特性

在不同電源電壓和工作溫度下，OP184/OP284/OP484 的各項(xiàng)電氣參數(shù)表現(xiàn)出色。例如，在 (V{S}=5.0V)、(V{CM}=2.5V)、(T_{A}=25^{circ}C) 條件下，輸入失調(diào)電壓最低為 65μV，輸入偏置電流最大為 450nA，輸出電壓高可達(dá) 4.80V，輸出電壓低為 125mV 等。這些參數(shù)在不同的電源電壓和溫度范圍內(nèi)會(huì)有一定的變化，但都能保持在合理的范圍內(nèi)，滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。

這些電氣特性對(duì)實(shí)際應(yīng)用有著重要的影響。低失調(diào)電壓使得放大器在處理微弱信號(hào)時(shí)能夠保證高精度，減少誤差。高轉(zhuǎn)換速率則允許放大器快速響應(yīng)信號(hào)變化，適用于對(duì)速度要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景。而低噪聲特性可以有效降低對(duì)信號(hào)的干擾，提高信號(hào)的質(zhì)量。大家在實(shí)際設(shè)計(jì)中，一定要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇電源電壓和工作溫度范圍，以充分發(fā)揮器件的性能。

（二）絕對(duì)最大額定值

該器件的絕對(duì)最大額定值包括：電源電壓為±18V，輸入電壓為±18V，差分輸入電壓為±0.6V 等。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須嚴(yán)格遵守這些額定值，避免器件因過(guò)壓、過(guò)流等情況而損壞。例如，當(dāng)輸入電壓大于 0.6V 時(shí)，應(yīng)將輸入電流限制在小于 5mA，以防止輸入器件的性能下降或損壞。

（三）熱阻特性

熱阻特性對(duì)于器件的散熱設(shè)計(jì)至關(guān)重要。不同封裝類型的熱阻不同，如 8 引腳 PDIP 封裝的熱阻 (θ{JA}) 為 103°C/W，8 引腳 SOIC 封裝的熱阻 (θ{JA}) 為 158°C/W 等。在設(shè)計(jì)散熱方案時(shí)，需要根據(jù)器件的功耗和熱阻特性，選擇合適的散熱方式，確保器件在安全的溫度范圍內(nèi)工作。

三、典型性能特性

通過(guò)一系列的典型性能特性曲線，我們可以更直觀地了解 OP184/OP284/OP484 的性能表現(xiàn)。

（一）輸入失調(diào)電壓分布

不同電源電壓和溫度條件下，輸入失調(diào)電壓的分布情況不同。例如，在 (V{S}=5V)、-40°C ≤ (T{A}) ≤ +125°C 時(shí)，輸入失調(diào)電壓呈現(xiàn)一定的分布范圍。這有助于我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)預(yù)估失調(diào)電壓對(duì)電路性能的影響，并采取相應(yīng)的補(bǔ)償措施。

（二）偏置電流與溫度、共模電壓的關(guān)系

偏置電流會(huì)隨著溫度和共模電壓的變化而變化。從相關(guān)曲線中可以看出，在不同的溫度和共模電壓下，偏置電流的大小和極性都會(huì)有所不同。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)需要平衡連接到放大器輸入的有效源阻抗，以實(shí)現(xiàn)最佳的直流和交流性能。

（三）開環(huán)增益與頻率、溫度的關(guān)系

開環(huán)增益會(huì)受到頻率和溫度的影響。隨著頻率的增加，開環(huán)增益會(huì)逐漸下降；在不同的溫度下，開環(huán)增益也會(huì)有所變化。了解這些關(guān)系對(duì)于設(shè)計(jì)穩(wěn)定的放大電路至關(guān)重要。

四、應(yīng)用電路設(shè)計(jì)

（一）單電源 3V 儀表放大器

OP284 憑借其低噪聲、寬帶寬和軌到軌輸入輸出特性，非常適合用于單電源 3V 儀表放大器。該電路采用經(jīng)典的雙運(yùn)放儀表放大器拓?fù)?，通過(guò)四個(gè)電阻設(shè)置增益。為了確保良好的共模抑制性能，電阻 R2 和 R3 應(yīng)緊密匹配，同時(shí)與 (R1 + P1) 和 R4 也應(yīng)匹配。通過(guò)合理選擇電阻和電容的值，可以優(yōu)化電路的共模抑制比和噪聲性能。

（二）3V 電源產(chǎn)生 2.5V 參考電壓

在許多單電源應(yīng)用中，需要 2.5V 參考電壓。該電路利用 OP284 的軌到軌輸入輸出電壓范圍，將 AD589 的 1.235V 輸出放大到 2.5V。OP284 的低 (TCV_{os}) 有助于保持輸出電壓的溫度穩(wěn)定性。該電路在負(fù)載電流突然變化時(shí)，能夠快速恢復(fù)到設(shè)定的輸出電壓，具有良好的負(fù)載調(diào)整率。

（三）5V 12 位 DAC 軌到軌輸出

OP284 可與 CMOS DAC 配合使用，實(shí)現(xiàn)寬輸出范圍的數(shù)字控制電壓。在該應(yīng)用中，OP284 一方面緩沖 DAC VREF 引腳的高輸出阻抗，另一方面將輸出信號(hào)放大，實(shí)現(xiàn)軌到軌輸出。通過(guò)調(diào)整電阻值，可以方便地改變輸出電壓范圍。

（四）高端電流監(jiān)測(cè)器

在電源控制電路設(shè)計(jì)中，高端電流監(jiān)測(cè)器對(duì)于保證功率晶體管的長(zhǎng)期可靠性至關(guān)重要。該電路利用 OP284 的軌到軌輸入電壓范圍，感應(yīng) 0.1Ω 電流分流器上的電壓降，并通過(guò) P 溝道 MOSFET 將差分輸入電壓轉(zhuǎn)換為電流，最終在 R2 上產(chǎn)生與負(fù)載電流成線性關(guān)系的電壓。

（五）電容負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力

OP284 具有出色的電容負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力，能夠驅(qū)動(dòng)高達(dá) 1nF 的電容負(fù)載。但電容負(fù)載會(huì)導(dǎo)致帶寬下降，對(duì)于大于 2nF 的負(fù)載，帶寬會(huì)降低到 1MHz 以下。通過(guò)在輸出端添加緩沖網(wǎng)絡(luò)，可以顯著減少給定電容負(fù)載下的過(guò)沖現(xiàn)象。

（六）低壓差穩(wěn)壓器

利用 OP284 的軌到軌輸入輸出特性，可以實(shí)現(xiàn)低壓差穩(wěn)壓器。該電路采用 OP284 加低 (R_{DS(ON)}) P 溝道 MOSFET 作為功率器件，能夠在 3V 至 9V 的電源電壓范圍內(nèi)提供穩(wěn)定的輸出電壓。通過(guò)合理設(shè)計(jì)電流控制環(huán)路，可以實(shí)現(xiàn)輸出電流的限制，提高電路的安全性。

（七）3V 50Hz/60Hz 有源陷波濾波器

在單電源系統(tǒng)中，為了處理信號(hào)，常采用假地偏置方案。該電路利用假地電路偏置有源陷波濾波器，用于抑制便攜式患者監(jiān)測(cè)設(shè)備中的 50Hz/60Hz 電源線干擾。通過(guò)合理選擇電阻和電容的值，可以調(diào)整濾波器的頻率選擇性和通帶對(duì)稱性。

五、設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

（一）輸入過(guò)壓保護(hù)

當(dāng)輸入電壓超過(guò)電源電壓時(shí)，需要考慮輸入過(guò)壓保護(hù)。OP284 在過(guò)壓時(shí)，輸入保護(hù)二極管可能會(huì)有大電流流過(guò)，因此可在輸入串聯(lián)電阻來(lái)限制過(guò)壓電流。例如，使用 1kΩ 電阻可以保護(hù) OP284 免受高于和低于電源 5V 的輸入信號(hào)的影響。

（二）輸出相位反轉(zhuǎn)

部分單電源運(yùn)放的輸入超出共模范圍時(shí)會(huì)出現(xiàn)輸出電壓相位反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。OP284 在合理的輸入電壓范圍內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)相位反轉(zhuǎn)，但當(dāng)輸入電壓可能超過(guò)電源電壓時(shí)，應(yīng)采取輸入過(guò)壓保護(hù)措施。

（三）低噪聲電路設(shè)計(jì)

在單電源應(yīng)用中，設(shè)計(jì)低噪聲電路時(shí)，需要考慮放大器的電壓和電流噪聲參數(shù)。根據(jù)源電阻的大小，合理選擇放大器，以實(shí)現(xiàn)最佳的信噪比。同時(shí)，要注意平衡連接到放大器輸入的源阻抗，以減少噪聲的影響。

OP184/OP284/OP484 運(yùn)算放大器以其出色的性能和豐富的應(yīng)用場(chǎng)景，為電子工程師提供了一個(gè)強(qiáng)大的設(shè)計(jì)工具。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們需要充分了解其特性和參數(shù)，結(jié)合具體的應(yīng)用需求，合理設(shè)計(jì)電路，以發(fā)揮其最大的優(yōu)勢(shì)。希望本文能對(duì)大家在使用 OP184/OP284/OP484 進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)有所幫助。大家在設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到任何問(wèn)題，歡迎在評(píng)論區(qū)留言討論。