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OPA1602、OPA1604是高性能,双极输入音频运算放大器

日期:2020-9-17 标签:放大器运算放大器 类别: 阅读:2964 (来源:互联网)

特征

•卓越的音质

•超低噪声:1kHz时为2.5nV/√Hz

•超低失真:1kHz时为0.00003%

•高转换率:20V/μs

•宽带:35MHz(G=+1)

•高开环增益:120dB

•统一增益稳定

•低静态电流:每2.6mA渠道

•轨对轨输出

•宽电源范围:±2.25V至±18V

•提供双重和四重版本

应用

•专业音频设备

•广播演播室设备

•模拟和数字混音器

•高端A/V接收器

•高端蓝光™ 玩家

说明

OPA1602OPA1604双极输入运算放大器实现非常低的2.5nV/√Hz噪声密度,1kHz下的超低失真为0.00003%。OPA1602和OPA1604系列运算放大器在2kΩ负载下提供轨对轨输出摆幅在600毫伏以内,这增加了净空并最大化了动态范围。这些器件还具有±30mA的高输出驱动能力。

这些器件在±2.25V到±18V的非常宽的供电范围内工作,每个通道的供电电流仅为2.6mA。OPA1602和OPA1604是单位增益稳定的,在广泛的负载条件下提供良好的动态性能。

这些设备还具有完全独立的电路,以实现最低的串扰,并且不受信道之间的交互影响,即使在过驱动或过载的情况下也是如此。

OPA1602和OPA1604的温度范围为-40°C至+85°C。

典型特征

TA=+25°C,VS=±15V,RL=2kΩ时,除非另有说明。

申请信息

OPA1602和OPA1604是单位增益稳定,精度双和四运算放大器非常低噪音。应用噪声或高阻抗电源需要去耦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31显示了OPA160x的简化示意图(显示了一个通道)。

工作电压

OPA160x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。OPA160x系列可在电源之间的电压为+4.5V,电源之间的电压为+36V。然而,有些应用不需要相同的正、负输出电压摆幅。对于OPA160x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。

在所有情况下,共模电压必须保持在规定范围内。此外,关键参数在TA=–40°C到+85°C的指定温度范围内得到保证。典型特性中显示了随工作电压或温度而显著变化的参数。

输入保护

OPA1602和OPA1604的输入端子采用背靠背二极管进行保护,以防差动电压过高,如图32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电路中,由于放大器的输出不能对输入做出足够快的响应,所以快速倾斜的输入信号可以使这些二极管向前偏移坡道。这个效果如图17所示的典型特征。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。如果输入信号电流没有固有的限制,可以使用输入串联电阻(RI)和/或反馈电阻器(RF)来限制信号输入电流。该电阻器降低了OPA160x的低噪声性能,并在下面的噪声性能部分进行了检查。图32显示了使用限流输入和反馈电阻时的配置示例。

噪声性能

图33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。

OPA160x(GBW=35MHz,G=+1)显示,并计算出总电路噪声。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,而电压噪声通常占主导地位。OPA160x系列运算放大器的低电压噪声使其成为小于1kΩ的低源阻抗的更好选择。

图33中的方程式显示了总电路噪声的计算,这些参数如下:

•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=温度,单位:开氏度(K)

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。图33描绘了这一点方程式。这个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34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

OPA160x系列运算放大器具有优良的失真特性。在20Hz至20kHz的音频频率范围内,THD+噪声低于0.00008%(G=+1,VO=3VRMS,BW=80kHz)(特性性能见图7)。

OPA160x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。但是,可以使用特殊的测试电路(如图35所示)来扩展测量能力。

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35显示了导致运算放大器失真增大的电路(有关各种信号增益的失真增益系数,请参阅图35中的表格)。R3的加入对于其他标准的非互易放大器配置,可以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被失真增益因子降低,从而将分辨率提高相同的量。注意,应用到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,其中失真在测试设备的测量能力范围内。本数据表的测量采用音频精密系统双失真/噪声分析仪,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。

电容性负载

OPA1602和OPA1604的动态特性已经针对常见的增益、负载和操作进行了优化条件低闭环增益和高容性负载的结合降低了放大器的相位裕度,并可能导致增益峰值或振荡。因此,较重的电容性负载必须与输出隔离。实现这种隔离的最简单方法是在输出端串联一个小电阻(例如RS等于50Ω)。

这个小的串联电阻也可以防止过多的功率消耗,如果设备的输出变短。图19显示了几个RS值的小信号超调与电容性负载的关系图。有关分析技术和应用电路的详细信息,请参阅应用公告AB-028(文献编号:SBOA015,可从TI网站下载)。

功率损耗

OPA1602和OPA1604系列运算放大器能够驱动2kΩ负载,电源电压高达±18V。在高电源下工作时,内部功耗会增加电压。铜与传统材料相比,OPA160x系列运算放大器采用的引线框架结构提高了散热性能。电路板布局也有助于最大限度地降低结温升。宽的铜痕迹有助于散热,作为一个额外的散热器。通过将设备焊接到电路板上,而不是使用插座,可以进一步将温升降到最低。

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。

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。设计ESD保护电路以防止核心电路受到损坏。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。当一个快速的ESD电压脉冲通过电源引脚时,OPA160x内部的吸收装置就会触发。ESD脉冲一次触发,迅速触发一个安全电平。

当运算放大器连接到如图36所示的电路中时,ESD保护组件将保持非活动状态,并且不会参与应用电路的操作。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36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中的一个将电流传导并引导至+VS。过高的电流水平会随着VIN的升高而流动。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提供二极管。这个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。

如果电源吸收电流的能力存在不确定性,可以在电源引脚上添加外部齐纳二极管,如图36所示。

必须选择齐纳电压,使二极管在正常情况下不会打开手术。但是其齐纳电压应足够低,以便在电源引脚开始上升到高于安全工作电源电压水平时齐纳二极管导通。

应用电路

图37显示了一个附加的应用程序思想。