高性能低噪聲四運放OP470：特性、測量及應(yīng)用全解析

在電子電路設(shè)計領(lǐng)域，運算放大器是不可或缺的基礎(chǔ)元件。今天我要為大家詳細介紹一款高性能的低噪聲四運放——OP470，它在低噪聲放大、數(shù)字平移控制等多種應(yīng)用場景中都有著出色的表現(xiàn)。

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一、OP470的關(guān)鍵特性

1. 優(yōu)異的噪聲性能

OP470具有極低的電壓噪聲，在1kHz時最大僅為5nV/√Hz，這一特性使它在對噪聲要求極高的應(yīng)用中表現(xiàn)卓越。不過它在獲得出色電壓噪聲性能的同時，犧牲了一定的電流噪聲性能，這也是低噪聲放大器常見的權(quán)衡。

2. 精準(zhǔn)的直流特性

其輸入失調(diào)電壓低于0.4mV，失調(diào)電壓漂移小于2μV/°C，并且在整個軍用溫度范圍內(nèi)都能得到保證。開環(huán)增益在10kΩ負載下超過1,000,000，能夠確保出色的增益精度和線性度，即使在高增益應(yīng)用中也能穩(wěn)定工作。

3. 高共模抑制比和電源抑制比

OP470的共模抑制比（CMR）超過110dB，電源抑制比（PSRR）小于1.8mV/V，這使得它能夠顯著降低由于接地噪聲和電源波動引起的誤差，提高電路的穩(wěn)定性。

4. 低功耗優(yōu)勢

與四個OP27相比，四運放OP470的功耗降低了一半，這對于對功耗敏感的應(yīng)用來說是一個顯著的優(yōu)勢。

5. 良好的放大器匹配

OP470在多個增益模塊、低噪聲儀表放大器、四緩沖器和低噪聲有源濾波器等應(yīng)用中，其出色的放大器匹配特性能夠保證電路的性能。

二、引腳連接與封裝形式

OP470提供多種封裝形式，包括14引腳陶瓷雙列直插封裝（Y后綴）、16引腳SOIC封裝（S后綴）和14引腳塑料雙列直插封裝（P后綴），并且符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的14引腳DIP引腳排列，與LM148/149、HA4741、HA5104和RM4156等四運放引腳兼容，方便對現(xiàn)有系統(tǒng)進行升級。

三、電氣特性詳解

OP470有不同的型號，如OP470A/E、OP470F、OP470G等，它們在輸入失調(diào)電壓、輸入失調(diào)電流、輸入偏置電流、大信號電壓增益等電氣特性上存在一定的差異。例如，OP470A/E的輸入失調(diào)電壓典型值為0.1mV，最大值為0.4mV；而OP470F的典型值為0.2mV，最大值為0.8mV。在實際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)具體的需求選擇合適的型號。

四、噪聲特性及測量

1. 電壓和電流噪聲關(guān)系

OP470通過在高集電極電流下運行輸入晶體管來實現(xiàn)低電壓噪聲，但這也導(dǎo)致電流噪聲與集電極電流的平方根成正比。為了獲得最佳的噪聲性能，需要理解電壓噪聲（(e{n})）、電流噪聲（(i{n})）和電阻噪聲（(e_{t})）之間的關(guān)系。

2. 總噪聲計算

總噪聲可以通過公式 (E{n}=sqrt{(e{n})^{2}+(i{n}R{S})^{2}+(e{t})^{2}}) 計算，其中 (E{n}) 是總輸入?yún)⒖荚肼暎?e{n}) 是運放電壓噪聲，(i{n}) 是運放電流噪聲，(e{t}) 是源電阻熱噪聲，(R{S}) 是源電阻。當(dāng)源電阻 (R{S}<1kΩ) 時，總噪聲主要由OP470的電壓噪聲決定；當(dāng) (R{S}) 超過1kΩ時，總噪聲增加且主要由電阻噪聲決定；當(dāng) (R_{S}) 超過20kΩ時，OP470的電流噪聲成為總噪聲的主要貢獻者。

3. 噪聲測量方法

• 峰 - 峰電壓噪聲測量：在測量0.1Hz至10Hz范圍內(nèi)200nV峰 - 峰噪聲時，需要注意器件預(yù)熱至少五分鐘、屏蔽氣流、避免附近突然運動、測試時間不超過10秒、推薦進行噪聲電壓密度測試以及使用低噪聲電源等。
• 噪聲電壓密度測量：通過將四個放大器串聯(lián)連接，除最后一個放大器為非反相增益101外，其余均為單位增益，可快速可靠地測量噪聲電壓密度。
• 電流噪聲密度測量：使用特定的測試電路，根據(jù)公式 (i{n}=frac{sqrt{(frac{e{nOUT}}{G})^{2}-(40nV/sqrt{Hz})^{2}}}{R_{S}}) 計算電流噪聲密度。

五、驅(qū)動容性負載和電源考慮

1. 容性負載驅(qū)動

OP470是單位增益穩(wěn)定的，能夠在不產(chǎn)生振蕩的情況下驅(qū)動大容性負載。但為了減少電源線路噪聲帶來的問題并提高其驅(qū)動容性負載的能力，建議進行良好的電源旁路。通過添加C1和R3等元件，可以將放大器與負載電容解耦，提供額外的穩(wěn)定性。

2. 電源連接注意事項

當(dāng)OP470的反相或同相輸入由低源阻抗（低于100Ω）驅(qū)動或接地時，如果先施加V + 或斷開V - ，會有過大的寄生電流流動。為了限制寄生電流，可以在所有輸入串聯(lián)至少100Ω的源電阻，但這會增加電路噪聲。在對噪聲要求嚴(yán)格的情況下，可以使用鍺或肖特基二極管來鉗位V - 引腳，以消除寄生電流流動。

六、應(yīng)用案例

1. 低噪聲放大器

通過并聯(lián)放大器的方式可以降低放大器的噪聲。如圖所示的電路中，每個并聯(lián)放大器和整個電路的增益均為1000，在1kHz時放大器噪聲約為 (2nV/sqrt{Hz}) （R.T.I.）。200Ω電阻可以限制環(huán)流，并提供50Ω的有效輸出電阻。該放大器在10nF容性負載下穩(wěn)定，能夠提供最大30mA的輸出驅(qū)動。

2. 數(shù)字平移控制

利用DAC - 8408四通道8位DAC實現(xiàn)信號在兩個通道之間的平移。DAC - 8408的兩個互補DAC電流輸出驅(qū)動由單個四運放OP470構(gòu)成的電流 - 電壓轉(zhuǎn)換器，放大器輸出互補，其幅度取決于應(yīng)用于DAC的數(shù)字代碼。該數(shù)字平移控制的失真小于0.01%。

3. 靜噪放大器

使用FET開關(guān)在輸入信號低于預(yù)設(shè)限制時切斷輸出。輸入信號由峰值檢測器采樣，當(dāng)峰值檢測器的輸出低于閾值電壓時，比較器驅(qū)動N通道FET導(dǎo)通，將反相放大器的增益降至零。

4. 五頻段低噪聲立體聲圖形均衡器

該圖形均衡器電路在5個頻段范圍內(nèi)提供15dB的增益或衰減，在20kHz帶寬內(nèi)的信噪比優(yōu)于100dB（參考3V rms輸入）。

OP470以其優(yōu)異的性能和豐富的應(yīng)用場景，為電子工程師在電路設(shè)計中提供了一個強大的工具。但在實際應(yīng)用中，我們還需要根據(jù)具體需求充分考慮其各項特性和注意事項，以實現(xiàn)最佳的電路性能。大家在使用過程中遇到過哪些問題呢？歡迎一起交流討論。