精密微功耗運(yùn)算放大器OP193/OP293：特性、應(yīng)用與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在電子工程師的日常設(shè)計(jì)工作中，運(yùn)算放大器是不可或缺的基礎(chǔ)元件。今天，我們要深入探討的是Analog Devices公司的OP193/OP293精密微功耗運(yùn)算放大器，它在眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出了卓越的性能。

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產(chǎn)品概述

OP193/OP293是單電源運(yùn)算放大器，具有高精度、低電源電流和低電壓工作的特點(diǎn)。其輸入和輸出范圍包含地，輸出可從負(fù)軌擺動(dòng)到正電源600mV以內(nèi)。該放大器可在+1.7V至±18V的電源電壓下工作，低電流消耗和低電壓操作使其在電池供電設(shè)備中表現(xiàn)出色。它被指定用于單+2V至雙±15V的操作，工作溫度范圍為?40°C至+125°C，采用SOIC表面貼裝封裝。

產(chǎn)品特性

電源與功耗

• 寬電源范圍：能夠在+1.7 V至±18 V的電源電壓下穩(wěn)定工作，這為不同電源配置的電路設(shè)計(jì)提供了極大的靈活性。無論是單電源還是雙電源應(yīng)用，OP193/OP293都能勝任。比如在一些便攜式設(shè)備中，可能使用單節(jié)電池供電，電壓較低；而在工業(yè)控制等復(fù)雜系統(tǒng)中，可能會(huì)用到雙電源，OP193/OP293都能適應(yīng)。
• 低功耗：每放大器的電源電流僅為15 μA，這在當(dāng)今追求節(jié)能和長(zhǎng)續(xù)航的電子設(shè)備設(shè)計(jì)中尤為重要。以電池供電的設(shè)備為例，低功耗意味著電池的使用時(shí)間可以大大延長(zhǎng)，減少了頻繁更換電池的麻煩，同時(shí)也降低了設(shè)備的散熱需求，提高了系統(tǒng)的可靠性。

  性能指標(biāo)

• 低失調(diào)電壓：最大僅為100 μV，能夠有效減少信號(hào)處理過程中的誤差，提高系統(tǒng)的精度。在對(duì)精度要求較高的應(yīng)用中，如數(shù)字秤、應(yīng)變計(jì)等，微小的失調(diào)電壓可能會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)較大偏差，而OP193/OP293的低失調(diào)電壓特性可以很好地滿足這些應(yīng)用的需求。
• 高輸出驅(qū)動(dòng)能力：輸出能夠吸收和提供±8 mA的電流，可以直接驅(qū)動(dòng)一些負(fù)載，減少了額外驅(qū)動(dòng)電路的使用，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。
• 無相位反轉(zhuǎn)：在工作過程中不會(huì)發(fā)生相位反轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，保證了信號(hào)的完整性和準(zhǔn)確性，使得系統(tǒng)在復(fù)雜的信號(hào)處理過程中能夠穩(wěn)定運(yùn)行。
• 高增益與穩(wěn)定性：具有600 V/mV的高開環(huán)增益，并且在單位增益下穩(wěn)定，能夠提供準(zhǔn)確和穩(wěn)定的放大效果，適合各種信號(hào)放大應(yīng)用。

  應(yīng)用領(lǐng)域廣泛

  根據(jù)前面提到的特性，可以推測(cè)其應(yīng)用領(lǐng)域如下：

• 高精度測(cè)量領(lǐng)域：如數(shù)字秤和應(yīng)變計(jì)，低失調(diào)電壓和高增益能夠保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。在數(shù)字秤中，需要對(duì)微小的重量變化進(jìn)行精確測(cè)量，OP193/OP293的高精度特性可以確保秤的讀數(shù)準(zhǔn)確無誤；在應(yīng)變計(jì)應(yīng)用中，能夠精確放大應(yīng)變信號(hào)，為應(yīng)力分析等提供可靠的數(shù)據(jù)。
• 醫(yī)療設(shè)備：便攜式醫(yī)療設(shè)備通常對(duì)功耗和精度有較高要求，OP193/OP293的低功耗和高精度正好滿足這些需求。例如，一些便攜式的血壓計(jì)、血糖儀等設(shè)備，需要長(zhǎng)時(shí)間使用電池供電，同時(shí)對(duì)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性要求很高，OP193/OP293可以作為信號(hào)放大和處理的核心元件，保證設(shè)備的性能。
• 電池供電設(shè)備：其低功耗和寬電源范圍使其非常適合電池供電的儀器儀表和設(shè)備。在野外監(jiān)測(cè)設(shè)備、無線傳感器節(jié)點(diǎn)等應(yīng)用中，電池是主要的供電來源，OP193/OP293能夠在有限的電池電量下長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作，減少了維護(hù)成本和更換電池的頻率。
• 溫度傳感器應(yīng)用：在溫度傳感器放大器中，能夠準(zhǔn)確地放大溫度傳感器輸出的微弱信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的精確測(cè)量。

電氣特性詳解

不同電源電壓下的性能

文檔中給出了在(V{S}= pm 15.0 V)、(V{S}=5.0 V)、(V{S}=3.0 V)和(V{S}=2.0 V)等不同電源電壓下的電氣特性參數(shù)。以(V{S}= pm 15.0 V)為例，在E級(jí)和F級(jí)中，輸入失調(diào)電壓（Offset Voltage）方面，OP193的典型值在150 μV - 250 μV之間，最大為350 μV；輸入偏置電流（Input Bias Current）在?40°C ≤ (T{A}) ≤ +125°C的范圍內(nèi)為20 nA。這些參數(shù)反映了放大器在該電源電壓下的輸入特性，對(duì)于電路設(shè)計(jì)中的誤差分析和信號(hào)處理非常重要。

動(dòng)態(tài)性能

• 壓擺率（Slew Rate）：在(R_{L}=2kΩ)的條件下，壓擺率為15 V/ms，這決定了放大器能夠處理的信號(hào)變化速度。在高頻信號(hào)處理或快速變化信號(hào)的放大中，較高的壓擺率可以保證信號(hào)的不失真放大。
• 增益帶寬積（Gain Bandwidth Product）：為35 kHz，它表示放大器的增益和帶寬之間的關(guān)系。在設(shè)計(jì)放大器電路時(shí)，需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求來平衡增益和帶寬，以確保放大器能夠在所需的頻率范圍內(nèi)正常工作。

功能與電路設(shè)計(jì)

輸入輸出電路

OP193/OP293的輸入級(jí)采用PNP晶體管，允許輸入信號(hào)降至地電位，并且在基極串聯(lián)了電阻以保護(hù)結(jié)免受過壓影響。輸出級(jí)是一個(gè)非反相NPN圖騰柱結(jié)構(gòu)，能夠?yàn)樨?fù)載提供最小5 mA的電流。這種設(shè)計(jì)使得放大器在單電源3.0 V供電時(shí)也能正常工作，輸出能夠接近地電位。

容性負(fù)載驅(qū)動(dòng)

當(dāng)驅(qū)動(dòng)小于200 pF的容性負(fù)載時(shí)，OP193/OP293是無條件穩(wěn)定的。如果添加一個(gè)電阻性負(fù)載，小信號(hào)單位增益過沖會(huì)得到改善。對(duì)于大容性負(fù)載的單位增益配置，建議采用環(huán)路補(bǔ)償技術(shù)，以確保放大器的穩(wěn)定性和信號(hào)質(zhì)量。

輸入過壓保護(hù)

通過采用PNP輸入級(jí)和串聯(lián)保護(hù)電阻，OP193/OP293能夠承受輸入電壓超過電源20 V而不損壞，為電路提供了可靠的保護(hù)。

輸出相位反轉(zhuǎn)

• OP193：當(dāng)輸入信號(hào)低于地電位超過一個(gè)二極管壓降（0.7 V）時(shí)，可能會(huì)發(fā)生輸出相位反轉(zhuǎn)。可以通過使用二極管將輸入鉗位到負(fù)電源來防止這種情況發(fā)生，但需要注意二極管的反向漏電流會(huì)增加放大器的輸入偏置電流。
• OP293：內(nèi)置了兩個(gè)橫向PNP晶體管Q7和Q8，能夠防止相位反轉(zhuǎn)。在+25°C時(shí)，輸入電壓可低至?5 V而不發(fā)生相位反轉(zhuǎn)；在+125°C時(shí)，相位反轉(zhuǎn)極限約為?3 V。如果輸入可能低于這些水平，建議添加外部鉗位二極管。

應(yīng)用電路設(shè)計(jì)

電池供電應(yīng)用

OP193/OP293可以在最低1.7 V的電源電壓下工作，從2.0 V電源中每個(gè)放大器僅消耗13 μA的電源電流。在許多電池供電的電路中，能夠連續(xù)工作數(shù)千小時(shí)，減少了設(shè)備的停機(jī)時(shí)間和運(yùn)營(yíng)成本。以鋰電池為例，其標(biāo)稱輸出電壓為3 V，且具有平坦的放電特性，OP193/OP293可以在電池的整個(gè)使用壽命內(nèi)正常工作。

微功耗假地發(fā)生器

通過使用電壓分壓器和放大器緩沖，可以創(chuàng)建一個(gè)假地參考，其電壓為電源電壓的一半。該電路從5 V電源中僅消耗約27 μA的電流，并且在假地輸出端添加了1 μF的旁路電容進(jìn)行補(bǔ)償，能夠提供低直流電阻和低交流阻抗，同時(shí)OP193能夠吸收和提供超過5 mA的電流，提高了負(fù)載電流瞬變的恢復(fù)時(shí)間。

電池供電電壓基準(zhǔn)

基于Brokaw帶隙核心技術(shù)設(shè)計(jì)的電池供電電壓基準(zhǔn)電路，僅消耗17 μA的電源電流。兩個(gè)AA堿性電池可以為該基準(zhǔn)供電超過18個(gè)月。在25°C時(shí)輸出電壓為1.23 V，在工業(yè)溫度范圍內(nèi)的漂移僅為5.5 μV/°C，負(fù)載調(diào)節(jié)率為85 μV/mA，線調(diào)節(jié)率為120 μV/V。通過短路引腳5可以確?？煽繂?dòng)，同時(shí)不會(huì)顯著降低OP193的失調(diào)漂移。

單電源電流監(jiān)測(cè)器

該電路的分辨率為10 μA，能夠監(jiān)測(cè)30 mA的電流。通過改變電流感測(cè)電阻R1可以調(diào)整監(jiān)測(cè)范圍。在測(cè)量系統(tǒng)總電流時(shí)，需要考慮電流監(jiān)測(cè)器的電源電流，并通過調(diào)整失調(diào)微調(diào)電位器R2進(jìn)行校準(zhǔn)。

單電源儀表放大器

傳統(tǒng)的單電源儀表放大器設(shè)計(jì)存在一些問題，如輸出誤差會(huì)被放大、負(fù)載電流會(huì)導(dǎo)致增益誤差等。改進(jìn)后的設(shè)計(jì)采用了N溝道FET晶體管作為電流鏡，提供A1的吸收電流，減少了額外的負(fù)載電流，更適用于低功耗應(yīng)用。

低功耗溫度至4 mA至20 mA變送器

該變送器在?50°C至+150°C的溫度范圍內(nèi)精度可達(dá)±0.5°C，工作電壓范圍為8 V至40 V，電源抑制比優(yōu)于3 ppm/V。通過調(diào)整跨度微調(diào)（span trim）和零微調(diào)（zero trim）可以進(jìn)行校準(zhǔn)，且兩者互不影響，簡(jiǎn)化了校準(zhǔn)過程。

微功耗電壓控制振蕩器

由OP293和CMOS模擬開關(guān)組成的精密VCO電路，能夠提供三角形和方形波輸出，從單5 V電源中僅消耗50 μA的電流。通過改變電容C1可以輕松改變振蕩器的頻率，該電路在高達(dá)500 Hz的頻率下工作良好。

總結(jié)

OP193/OP293精密微功耗運(yùn)算放大器憑借其出色的特性、廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和豐富的應(yīng)用電路設(shè)計(jì)，為電子工程師提供了一個(gè)強(qiáng)大而可靠的選擇。在設(shè)計(jì)過程中，我們需要充分考慮其電氣特性、功能特點(diǎn)和應(yīng)用電路的要求，以確保設(shè)計(jì)出高性能、穩(wěn)定可靠的電子系統(tǒng)。大家在實(shí)際應(yīng)用中有沒有遇到過類似運(yùn)算放大器的其他問題呢？歡迎一起交流探討。