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OPA380、OPA2380是高精度,高速跨阻放大器

日期:2020-9-29 标签:放大器 类别: 阅读:1668 (来源:互联网)

特征

>1MHz跨阻带宽

良好的长期VOS稳定性

偏置电流:50pA(最大)

偏移电压:25μV(最大)

动态范围:4到50年

漂移:0.1μV/°C(最大值)

增益带宽:90MHz

静态电流:7.5mA

电源范围:2.7V至5.5V

单一和双重版本

微型包装:MSOP-8

应用

光电二极管监控

精密I/V转换

光放大器

CAT-SCANNER前端

说明

OPA380系列跨阻放大器提供高速(90MHz增益带宽[GBW])操作,具有极高的精度、出色的长期稳定性和非常低的1/f噪声。它是高速光电二极管应用的理想选择。OPA380具有25μV的偏置电压,0.1μV/°C的偏置电流,50pA的偏置电流。OPA380远远超过传统JFET运算放大器所提供的偏移、漂移和噪声性能。

跨阻放大器的信号带宽在很大程度上取决于放大器的GBW、光电二极管的寄生电容以及反馈电阻。OPA380的90MHz GBW在大多数配置中可实现大于1MHz的跨阻带宽。OPA380是光纤功率级快速控制回路的理想选择。

由于OPA380的高精度和低噪声特性,可实现4到50年的动态范围。例如,该能力允许在单个I/V转换级中测量1nA量级的信号电流,最高可达100μA。与对数放大器相比,OPA380在整个动态范围内提供非常宽的带宽。通过使用一个外部下拉电阻到-5V,输出电压范围可以扩展到包括0V。

OPA380(单)有MSOP-8和SO-8封装。OPA2380(双)可在微型MSOP-8封装中使用。规定温度范围为-40°C至+125°C。

OPA380相关设备

引脚分配——俯视图

注:(1)、NC表示无内部连接。

典型特性:VS=+2.7V至+5.5V

除非另有说明,否则在TA=+25°C,RL=2kΩ连接到VS/2,且VOUT=VS/2时的所有规格。

应用程序信息

基本操作

OPA380是一种高性能的跨阻放大器,具有非常低的1/f噪声。由于其独特的结构,OPA380具有良好的长期输入电压偏移稳定性,150°C下300小时的寿命试验表明随机分布的变化大约等于1μV的测量重复性。

OPA380的性能来自内部自动调零放大器与高速放大器的结合。与传统的复合方法相比,OPA380的电路设计提高了过载恢复和稳定时间。它经过专门设计和特点,以适应电路选项,以允许0V输出操作(见图3)。

OPA380用于反转配置,非反转输入用作固定偏置点。图1显示了典型配置中的OPA380。电源插脚应使用1μF陶瓷或钽电容器绕过。不建议使用电解电容器。

工作电压

OPA380系列运算放大器在−40°C至+125°C的温度范围内完全规定为2.7V至5.5V。随工作电压或温度而显著变化的参数显示在典型特性中。

内部偏移校正

OPA380系列运算放大器采用自动调零拓扑,信号通路中有一个时间连续的90MHz运算放大器。该放大器采用专有技术每100μs进行零点校正。通电后,放大器需要大约400μs才能达到指定的VOS精度,包括大约100μs的一个完整的自动归零周期和偏置电路的启动时间。在此之前,放大器将正常工作,但未指定偏置电压。

这种设计几乎没有混叠和非常低的噪音。零校正发生在10kHz的频率,但由于内部滤波,在该频率下几乎没有基本噪声能量。对于所有的实际用途,任何故障的能量为20兆赫或更高,并很容易过滤,如果需要。大多数应用对这种高频噪声不敏感,不需要滤波。

输入电压

OPA380系列的输入共模电压范围从V−扩展到(V+)-1.8V。当输入信号高于此共模范围时,放大器将不再提供有效的输出值,但不会锁定或反转。

输入过压保护

设备输入由ESD二极管保护,当输入电压超过电源电压约500毫伏时,该二极管将导通。如果电流限制在10毫安,则可以容忍超过电源500毫伏的瞬时电压。OPA380系列的特点是,当输入超出电源时,如果输入是电流限制,则无相位反转。

输出范围

OPA380被指定在至少600毫伏正轨和100毫伏负轨电压范围内摆动,负载为2kΩ,具有良好的线性度。摆向负轨的同时保持良好的线性度,可延伸至0V见截面,实现输出摆对地。见典型特性曲线,输出电压摆幅与输出电流。

OPA380的摆幅比规定的正轨稍近;但是,线性度会降低,高速过载恢复钳位限制了可用的正输出电压摆幅量,如图2所示。

过载恢复

OPA380被设计成防止输出饱和。在过度驱动至正轨后,它通常只需要100ns就可以恢复线性运行。负过载恢复所需的时间更长,除非使用连接到更负电源的下拉电阻器将输出摆幅一直延伸到负轨参见下一节,实现输出摆幅到地。

实现输出摆地

有些应用要求输出电压从0V摆幅到正满标度电压(如+4.096V),精度高。对于大多数单电源运放,当输出信号接近0V,接近单电源运放输出摆幅下限时,就会出现问题。一个好的单电源运算放大器可能在接近单电源接地的情况下摆动,但不会达到0伏。

OPA380的输出可以在一个电源上摆动到地面,或略低于地面。这种扩展的输出摆动需要使用另一个电阻和一个额外的负电源。可以在输出端和负极电源之间连接一个下拉电阻器,将输出端拉低到0V。见图3。

OPA380有一个输出级,允许使用该技术将输出电压拉至其负电源轨。然而,这种技术只适用于某些类型的输出级。OPA380被设计成可以很好地使用这种方法。在0伏以下的精度非常高。在规定的温度范围内可以保证可靠的操作。

单电源电路中的偏压光电二极管

当光电二极管不暴露在任何光下时,+IN输入可以用正直流电压来偏置输出电压,并允许放大器输出指示真正的零光电二极管测量。它还可以防止因负轨而产生的额外延迟。这种偏压出现在光电二极管上,为更快的操作提供了反向偏压。放置在这个偏压点的RC滤波器将减少噪声,如图4所示。该偏置电压也可以作为范围不包括接地的ADC的偏移偏置点。

跨阻放大器

宽带宽,低输入偏置电流,低输入电压和电流噪声使OPA380成为理想的宽带光电二极管跨阻放大器。低电压噪声很重要,因为光电二极管电容使电路的有效噪声增益在高频下增加。

跨阻设计的关键要素如图5所示:

总输入电容(CTOT),由光电二极管电容(Cd二极管)加上寄生共模和差模输入电容(OPA380为3pF+1.1pF);

期望的跨阻增益(RF);

OPA380(90MHz)的增益带宽积(GBW)。

通过设置这三个变量,可以设置反馈电容值(CF)来控制频率响应.CSTRAY是RF的杂散电容,对于典型的表面贴装电阻器,其为0.2pF。

为了获得最大平坦的二阶巴特沃斯频率响应,反馈极点应设置为:

带宽计算公式如下:

这些方程将导致最大跨导带宽。对于更高的跨阻带宽,可以使用高速CMOS OPA300(SBOS271(180mhzgbw))或OPA656(SBOS196(230mhzgbw))。

有关更多信息,请参阅应用公告AB−050(SBOA055),直观补偿跨阻放大器。

图5:跨阻放大器

注:(1)CF是可选的,以防止增益峰值。

(2) CSTRAY是RF的杂散电容(表面安装电阻器通常为0.2pF)。

(3) CTOT是光电二极管电容加上OPA380输入电容。

跨阻带宽和噪声

限制射频设置的增益可以降低跨导输出处的噪声电路。但是,所有需要的增益都应该发生在跨阻级,因为在跨阻放大器之后增加增益通常会产生较差的噪声性能。射频产生的噪声谱密度随射频平方根的增大而增大,而信号则呈线性增加。因此,当所有需要的增益被置于跨阻级时,信噪比得到提高。

总噪声随着带宽的增加而增加。将电路带宽限制在所需的范围内。在反馈电阻RF上使用电容器CF来限制带宽,即使在考虑总输出噪声时不需要稳定性。

图6a显示了无反馈电容的跨阻电路。该电路产生的跨阻增益如图7所示。-3dB点约为10MHz。增加一个16pF反馈电容器(图6b)将限制带宽,并在大约1MHz处产生-3dB点(见图7)。通过添加一个滤波器(RFILTER和CFILTER)来创建第二极(图6c),可以进一步降低输出噪声。第二个极点被放置在反馈回路中,以保持放大器的低输出阻抗。(如果磁极被置于反馈回路之外,则需要额外的缓冲器,这会无意中增加噪声和直流误差)。

使用RDode表示等效二极管电阻,CTOT表示等效二极管电容加上OPA380输入电容,噪声零点fZ由以下公式计算:

图6:具有可变总噪声增益和集成噪声增益的跨阻电路结构

这些电路结构对输出噪声的影响如图8所示,对集成输出噪声的影响如图9所示。2极巴特沃斯滤波器(通带内最大平坦)通过使用以下等式选择滤波器值来创建:

有:

图6b中的电路以20dB/decade的速度衰减。带有图6c所示附加滤波器的电路以40dB/decade的速度衰减,从而改善了噪声性能。

图10显示了二极管电容对集成输出噪声的影响,使用图6c中的电路。

有关更多信息,请参考可从TI网站下载的FET跨阻放大器噪声分析(SBOA060)和高速运算放大器的噪声分析(SBOA066)。

电路板布局

使求和结处的光电二极管电容和杂散电容最小(逆变输入)。这个电容导致运算放大器的电压噪声被放大(高频放大)。使用低噪声电压源反向偏置光电二极管可以显著降低其电容。较小的光电二极管具有较低的电容。用光学器件把光集中在一个小的光电二极管上。

电路板泄漏会降低其他设计良好的放大器的性能。仔细清洁电路板。环绕求和结并以相同电压驱动的电路板保护轨迹可以帮助控制漏电,如图11所示。

测量小电流的其他方法

对数放大器用于将极宽的动态范围输入电流压缩到更窄的范围。宽输入动态范围为8年,或100帕至10毫安,可容纳12位ADC的输入。(建议产品:LOG101、LOG102、LOG104、LOG112。)

极小的电流可以通过在电容器上积分电流来精确测量。(推荐产品:IVC102)

低电平电流可以转换成高分辨率的数据字。(推荐产品:DDC112)

有关可用产品范围的更多信息,请使用上述特定型号名称或使用关键字transimpedance和对数进行搜索。

容性负载与稳定性

OPA380系列运算放大器可驱动高达500pF的纯电容负载。增加增益可以增强放大器驱动更大电容性负载的能力(参见典型特性曲线,小信号过冲与电容性负载)。

改进的方法是将一个10Ω的电阻以一个串联的方式插入一个10Ω的负载中。这减少了大电容负载时的振铃,同时保持直流精度。

驱动快速16位模数转换器(ADC)

OPA380系列是为驱动快速16位而优化的ADC如ADS8411。OPA380运算放大器缓冲转换器的输入电容和由此产生的电荷注入,同时提供信号增益。图12显示了OPA380在一个单端方法接口的ADS8411 16位,2MSPS ADC。有关更多信息,请参阅ADS8411数据表。