OP481：超低功耗轨到轨输出运算放大器的卓越之选

OP281/OP481：超低功耗轨到轨输出运算放大器的卓越之选

在电子设计领域，运算放大器是不可或缺的基础元件。今天要给大家详细介绍的是Analog Devices公司的OP281/OP481超低功耗单电源运算放大器，它在众多应用场景中展现出了独特的优势。

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一、产品概述

OP281和OP481分别为双运放和四运放，采用了Analog Devices的CBCMOS工艺制造。其显著特点是具有轨到轨输出能力，每个放大器的静态电流极低，最大仅为4μA。它能在低至2.0V的电源电压下工作，并且在+3V、+5V单电源以及±5V双电源下都有详细的性能指标。

二、产品特性

（一）电气特性

1. 输入特性
   • 失调电压：在不同电源电压下，失调电压较低。例如，在(V{S}=3.0V)时，失调电压最大为2.5mV；在(V{S}=5.0V)时，最大为1.5mV。
   • 输入偏置电流：在-40°C至+85°C的温度范围内，输入偏置电流最大为10nA。
   • 输入失调电流：同样在该温度范围内，输入失调电流最大为7nA。
   • 输入电压范围：电源电压不同，输入电压范围也有所不同。如(V{S}=3.0V)时，范围是0 - 2V；(V{S}=5.0V)时，范围是0 - 4V。
   • 共模抑制比：在规定的共模电压和温度范围内，共模抑制比可达65 - 95dB。
2. 输出特性
   • 输出电压摆幅：能够实现轨到轨输出，输出电压高（(V{OH})）和输出电压低（(V{OL})）都能接近电源电压。例如，在(V{S}=3.0V)，(R{L}=100kΩ)到地时，(V{OH})最大可达2.96V；(V{OL})最小为25mV。
   • 短路电流限制：短路电流限制在±1.1mA（(V{S}=3.0V)）和±3.5mA（(V{S}=5.0V)）。
3. 电源特性
   • 电源抑制比：在2.7V至12V的电源电压范围内，电源抑制比可达76 - 95dB。
   • 电源电流：每个放大器的电源电流极低，最大为4μA。
4. 动态性能
   • 压摆率：在(R{L}=100kΩ)，(C{L}=50pF)的条件下，压摆率为25 - 28V/ms。
   • 增益带宽积：增益带宽积约为95 - 105kHz。
   • 相位裕度：相位裕度为70 - 75度。
5. 噪声性能
   • 电压噪声：在0.1Hz至10Hz的频率范围内，电压噪声峰 - 峰值为10μVp - p。
   • 电压噪声密度：在1kHz时，电压噪声密度为75 - 85nV/√Hz。
   • 电流噪声密度：小于1pA/√Hz。

（二）其他特性

1. 温度范围：该系列放大器的工作温度范围为-40°C至+85°C，能适应较宽的工业环境。
2. 封装形式：OP281有8引脚的SOIC表面贴装和TSSOP封装；OP481有窄体14引脚的SOIC和TSSOP封装，方便不同的电路板设计需求。

三、典型应用

（一）比较器

OP281/OP481的输出能够轨到轨摆动，并且在输出驱动到电源电压时不会增加电源电流，再加上其快速的饱和恢复时间（65μs），使其非常适合在超低功耗系统中用作比较器。例如在一些电池供电的监测系统中，可利用其比较功能对信号进行判断。

（二）电池供电仪器

由于其超低的电源电流，OP281/OP481在电池供电的仪器中表现出色。像便携式的测量设备，能够有效延长电池的使用时间。

（三）安全监测

在安全监测系统中，需要长时间稳定运行且功耗低的器件。OP281/OP481可以对各种信号进行放大和处理，实现对安全参数的监测。

（四）远程传感器

远程传感器通常依靠电池供电，对功耗要求严格。OP281/OP481可以对传感器输出的微弱信号进行放大，同时降低自身功耗，保证传感器系统的长期稳定工作。

（五）低电压应变计放大器

在低电压环境下，OP281/OP481能够对应变计输出的微小信号进行有效放大，满足应变测量的需求。

四、工作原理与设计要点

（一）工作原理

OPx81系列运算放大器的输入级采用了PNP差分对，这种设计使得输入级在共模范围扩展到地时仍能保持线性。输出级由一对共源配置的CMOS晶体管组成，使得放大器的输出能够摆动到接近电源轨的位置。输出级所需的裕量与驱动到负载的电流量有关，输出电流越低，输出越接近电源轨。

（二）输入过压保护

输入级的PNP差分对存在输入过压的风险。当输入晶体管的基极电压比负电源低0.6V以上时，输入ESD保护二极管会正向偏置，导致大电流流动，可能损坏器件并产生输出相位反转。为防止这种情况，可在输入与器件之间串联一个电阻，将输入电流限制在小于0.5mA。电阻大小可根据公式(R=frac{V{EE}-V{IN,MIN}}{0.5 × 10^{-3}})计算，其中(V{EE})为放大器的负电源，(V{IN,MIN})为预期的最低输入电压偏移。

（三）输入失调电压

OPx81系列运算放大器设计用于低失调电压（小于1mV），在实际应用中能有效减少因失调电压带来的误差。

（四）输入共模电压范围

OPx81的额定输入共模电压范围是从(V{EE})到比(V{CC})低1V，但实际上它能在略低于(V_{EE})的共模电压下工作。

（五）电容负载

大多数低电源电流放大器在驱动电容负载时存在困难，但OPx81系列通过精心设计的输出级和较高的相位裕度，能够在一定程度上容忍电容负载。例如，在输出连接10nF电容时，输出过冲不超过10%。

五、应用电路示例

（一）微功耗参考电压发生器

采用两个1MΩ电阻从3V电源中仅吸取1.5μA电流来生成参考电压。在反相输入端与运放输出之间连接一个电容进行补偿，允许在参考输出端连接旁路电容，以建立参考输出的交流地。整个参考发生器从3V电源源吸取的电流小于5μA。

（二）窗口比较器

以OP281为例，可构成窗口比较器。通过设置(V{H})和(V{L})（(V{H}>V{L})）来确定窗口的阈值限制。当输入电压(V{IN})在(V{L})和(V{H})之间时，输出(V{out})为高；当(V{IN})超出该范围时，(V{out})为低。

（三）低侧电流监测器

在电源控制电路设计中，可利用OPx81的共模范围扩展到地的特性，对电源返回路径中的电流进行监测。通过反馈使R1两端的电压等于(R{SENSE})两端的电压，从而根据公式(V{OUT}=V{CC}-(frac{R2}{R1} × R{SENSE} × I_{L}))计算输出电压。

（四）低电压半波和全波整流器

OP281可配置为低频（<500Hz）应用的全波整流器。放大器A1用作电压跟随器，对输入信号进行半波整流；放大器A2在不同输入情况下分别作为电压跟随器和反相放大器，实现全波整流。

（五）电池供电电话耳机放大器

在电话耳机电路中，OP281的一侧可作为麦克风放大器，另一侧可驱动扬声器。对于麦克风放大器，通过300kΩ和11kΩ电阻设置约29dB的增益；对于扬声器放大器，可提供高达15dB的增益，并通过Class AB缓冲器隔离负载，减少交越失真。

六、总结

OP281/OP481超低功耗轨到轨输出运算放大器凭借其低功耗、轨到轨输出、宽输入电压范围等一系列优秀特性，在众多应用领域展现出了强大的竞争力。无论是电池供电设备、安全监测系统还是传感器信号处理等，它都能提供稳定可靠的性能。在实际设计中，我们需要根据具体的应用需求，合理利用其特性，并注意输入过压保护、电容负载等设计要点，以充分发挥其优势。大家在使用过程中有没有遇到过一些特别的问题或者有独特的应用经验呢？欢迎在评论区分享交流。