探索LTC1152：高性能零漂移運(yùn)算放大器的卓越之旅

在電子工程師的設(shè)計(jì)工具箱中，運(yùn)算放大器是至關(guān)重要的基礎(chǔ)元件。今天，我們將深入剖析Linear Technology公司的LTC1152這款高性能、低功耗零漂移運(yùn)算放大器，探討它的特性、工作原理以及典型應(yīng)用。

文件下載：LTC1152.pdf

特性亮點(diǎn)

軌到軌輸入輸出

LTC1152的輸入共模范圍涵蓋兩個(gè)電源軌，輸出能夠?qū)崿F(xiàn)軌到軌擺幅，即使在驅(qū)動(dòng)重負(fù)載時(shí)也能如此。其寬輸入共模范圍通過片上高頻電荷泵實(shí)現(xiàn)，有效消除了競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)帶來的交越失真和有限的共模抑制比（CMRR）問題。

零漂移特性

與Linear Technology的其他零漂移放大器一樣，LTC1152具有出色的直流性能。典型失調(diào)電壓為1μV，典型失調(diào)漂移為10nV/°C，CMRR和電源抑制比（PSRR）分別達(dá)到130dB和120dB，開環(huán)增益為130dB。從0.1Hz到10Hz的輸入噪聲電壓為2μVP - P。

低功耗與關(guān)斷功能

最大電源電流為3.0mA，并且有關(guān)斷引腳，可將電源電流降至最大5μA，同時(shí)使輸出級(jí)處于高阻抗?fàn)顟B(tài)。

電容負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力

作為C - Load?放大器，LTC1152能夠驅(qū)動(dòng)任何電容負(fù)載。

寬電源電壓范圍

可在2.7V至14V的總電源電壓下工作。

工作原理

內(nèi)部電荷泵

LTC1152通過內(nèi)部電荷泵產(chǎn)生比 (V^{+}) 約高2V的內(nèi)部電壓，運(yùn)算放大器的輸入級(jí)使用該較高電壓供電，使得 (V^{+}) 處的信號(hào)相對(duì)于前端電源看起來低2V，從而實(shí)現(xiàn)軌到軌輸入共模范圍。電荷泵完全集成在芯片內(nèi)部，無需外部組件。

不過，LTC1152的輸出會(huì)存在約100μVP - P的殘余電荷泵開關(guān)噪聲，其頻率為4.7MHz，高于芯片的增益帶寬，一般不會(huì)造成問題。對(duì)于非常敏感的應(yīng)用，可以在CP引腳（引腳8）和 (V^{+})（引腳7）之間連接一個(gè)電容來降低這種噪聲。例如，連接一個(gè)0.1uF的電容可將電荷泵的饋通降低到可忽略的水平。芯片內(nèi)部有一個(gè)從引腳8到引腳7的二極管，可防止外部寄生電容延長(zhǎng)啟動(dòng)時(shí)間，該二極管能承受約50mA的短期峰值電流。但要注意，不要在引腳8和地或 (V^{-}) 之間連接大于1μF的電容，以免啟動(dòng)時(shí)二極管電流過大；也不能將引腳8短路到地或 (V^{-})，否則會(huì)損壞芯片。

輸出驅(qū)動(dòng)能力

LTC1152的輸出級(jí)經(jīng)過增強(qiáng)，在單5V電源下能吸收和提供10mA電流，并且在大多數(shù)負(fù)載條件下能保持軌到軌輸出擺幅。其輸出級(jí)可建模為一個(gè)理想的軌到軌電壓源與一個(gè)電阻串聯(lián)，這個(gè)開環(huán)輸出電阻會(huì)與輸出負(fù)載形成電阻分壓器，從而限制輸出擺幅。從典型性能曲線可知，總電源電壓增加時(shí)，輸出電阻會(huì)降低。在單5V電源下，輸出電阻通常為140Ω，此時(shí)接1k電阻可實(shí)現(xiàn)4.4V的輸出擺幅。

補(bǔ)償與帶寬限制

LTC1152在驅(qū)動(dòng)高達(dá)1000pF的電容負(fù)載時(shí)是單位增益穩(wěn)定的。若要驅(qū)動(dòng)更大的電容負(fù)載，可以對(duì)其進(jìn)行外部補(bǔ)償。在COMP（引腳5）和OUT（引腳6）之間添加1000pF電容，可允許高達(dá)1μF的電容負(fù)載；添加0.1μF電容，則可驅(qū)動(dòng)無限大的電容負(fù)載。同時(shí)，大的補(bǔ)償電容還可用于限制LTC1152的帶寬。例如，在引腳5和引腳6之間連接0.1μF電容，可將芯片的增益 - 帶寬積從700kHz降低到約200Hz。但要注意，大于1μF的補(bǔ)償電容在嚴(yán)重輸出故障條件下可能導(dǎo)致閉鎖，可通過如圖3所示，用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)二極管將引腳5鉗位到每個(gè)電源來防止這種情況。

關(guān)斷功能

LTC1152有關(guān)斷引腳（引腳1）。當(dāng)該引腳處于 (V^{+}) 時(shí)，芯片正常工作；若引腳懸空，內(nèi)部1μA上拉電阻會(huì)使其保持高電平。當(dāng)引腳1被拉低時(shí)，芯片進(jìn)入關(guān)斷模式，電源電流降至1μA，所有內(nèi)部時(shí)鐘停止，輸出進(jìn)入高阻抗?fàn)顟B(tài)。關(guān)斷時(shí)，CP引腳（引腳8）的電壓會(huì)降至 (V^{+}) 以下0.5V。當(dāng)引腳1再次變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，電荷泵大約需要10μs才能恢復(fù)到滿電壓，在此期間芯片雖能正常工作，但輸入共模范圍可能不包含 (V^{+})。引腳1與和LTC1152使用相同電源的CMOS邏輯兼容，并且當(dāng)LTC1152使用±5V或±3V電源時(shí)，以地為參考的CMOS邏輯信號(hào)可直接與引腳1連接。內(nèi)部1μA上拉電阻還允許引腳1與集電極開路/漏極開路設(shè)備或分立晶體管連接。利用關(guān)斷時(shí)輸出的高阻抗特性，可將多個(gè)LTC1152連接在一起作為多路復(fù)用器，通過關(guān)斷引腳選擇活動(dòng)通道。

零漂移操作

作為零漂移運(yùn)算放大器，LTC1152具有幾乎無誤差的直流性能、極小的時(shí)間和溫度漂移以及低頻下的低噪聲。其內(nèi)部調(diào)零時(shí)鐘頻率約為2.3kHz（由4.7MHz的電荷泵頻率除以2048得到），并與內(nèi)部電荷泵同步，以防止輸出出現(xiàn)拍頻。自調(diào)零電路會(huì)不斷校正輸入失調(diào)電壓，使其在整個(gè)輸入共模范圍內(nèi)通常保持在±1μV以下，這使得它在低頻下具有出色的CMRR和PSRR，遠(yuǎn)優(yōu)于其他軌到軌運(yùn)算放大器。不過，由于采用采樣前端，LTC1152在接近內(nèi)部2.3kHz采樣頻率處會(huì)出現(xiàn)混疊現(xiàn)象和時(shí)鐘噪聲。芯片內(nèi)部有抗混疊電路來將這些誤差項(xiàng)降至最低。在大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)放大器配置中，混疊頻率通常會(huì)降低 ((80 ~dB - A{CLG}))，其中 (A{CLG}) 是LTC1152電路的閉環(huán)增益。時(shí)鐘噪聲也與閉環(huán)增益有關(guān)，一般表現(xiàn)為幅度約100μV的尖峰。通常，這些誤差項(xiàng)對(duì)大多數(shù)應(yīng)用影響較小。

典型應(yīng)用

軌到軌緩沖器

可用于為0V至5V信號(hào)提供單位增益緩沖，在單5V電源下工作。與大多數(shù)所謂的“軌到軌”運(yùn)算放大器不同，LTC1152的輸入共模范圍實(shí)際上超出任一電源軌約0.3V，因此能確保單位增益緩沖電路在電源軌內(nèi)的任何輸入信號(hào)下正常工作，輸入信號(hào)擺幅僅受輸出級(jí)驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力限制。

高增益放大器

在±1.5V電源下可實(shí)現(xiàn)高增益放大，如示例電路中的80dB增益。

高精度三輸入多路復(fù)用器

可用于選擇不同的輸入信號(hào)，選擇輸入為CMOS邏輯兼容信號(hào)。

高端電源電流檢測(cè)

能夠?qū)﹄娫措娏鬟M(jìn)行檢測(cè)，通過改變檢測(cè)電阻可改變檢測(cè)靈敏度。

封裝信息

LTC1152有8引腳PDIP和8引腳SO封裝，采用標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器引腳排列，可直接替代許多標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器。不同封裝有不同的熱阻和尺寸規(guī)格，在設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。

總結(jié)

LTC1152以其軌到軌輸入輸出、零漂移、低功耗、電容負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力等特性，在眾多應(yīng)用場(chǎng)景中表現(xiàn)出色。電子工程師在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)具體需求，充分利用其各項(xiàng)特性，同時(shí)注意電荷泵噪聲、補(bǔ)償電容、關(guān)斷功能等方面的細(xì)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)最佳的電路性能。你在使用LTC1152或者其他運(yùn)算放大器的過程中，遇到過哪些有趣的問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享。