OP27:低噪声、高精度运算放大器

特征

●低噪声：80 nV p-p（0.1 Hz至10 Hz），3 nV/√Hz

●低漂移：0.2μV/°C

●高速：2.8 V/μs转换速率，8 MHz增益带宽

●低VOS:10μV

●出色的共模抑制比：在VCM为±11 V时为126 dB

●高开环增益：180万

●适用于OP07、5534A插座

●提供模具形式

一般说明

OP27精密运算放大器将OP07的低偏移和漂移与高速和低噪声相结合。低至25μV的偏移和0.6μV/°C的最大漂移使OP27成为精密仪器应用的理想选择。非常低的噪声，en=3.5 nV/√Hz，10 Hz，2.7 Hz的低1/f噪声拐角频率和高增益（180万），允许对低电平信号进行精确的高增益放大。8 MHz的增益带宽积和2.8 V/μs的转换速率在高速数据采集系统中提供了出色的动态精度。

通过使用双电流抵消电路，实现了±10nA的低输入偏置电流。在军用温度范围内，该电路通常将IB和IOS分别保持在±20 nA和15 nA。

输出级具有良好的负载驱动能力。保证将±10 V电压转换为600Ω，输出失真低，使OP27成为专业音频应用的绝佳选择。

PSRR和CMRR超过120 dB。这些特性，再加上0.2μV/月的长期漂移，使电路设计人员能够达到以前只有离散设计才能达到的性能水平。

OP27的低成本、大批量生产是通过使用片上齐纳zap微调网络实现的。这种可靠稳定的偏移微调方案在多年的生产历史中证明了其有效性。

OP27在低噪声、高精度放大低电平信号方面具有出色的性能。应用包括稳定的积分器、精密求和放大器、精密电压阈值检测器、比较器和专业音频电路，如磁头和麦克风前置放大器。

OP27是OP06、OP07和OP45放大器的直接替代品；通过拆卸AD741的归零电位计，可以直接更换AD741类型。

应用程序信息

OP27系列单元可以直接插入OP07插座，无论是否拆卸外部补偿或调零组件。此外，OP27可以安装在AD741型无接头插座上；然而，如果使用传统的AD741归零电路，则应进行修改或删除，以确保OP27的正确操作。OP27偏移电压可以使用电位计归零为0（或其他所需设置）（见图1）。

OP27可在负载电容高达2000pF和±10V摆动的情况下稳定运行；较大的电容应与反馈回路内的50电阻器解耦。OP27代表团结稳定。

输入端子触点处不同金属产生的热电电压会降低漂移性能。当两个输入触点保持在相同的温度时，可以获得最佳操作。

图1:偏移归零电路

偏移电压调整

OP27的输入偏移电压在晶片级进行微调。但是，如果需要进一步调整VOS，可以使用10 kΩ的三分电位器。TCVOS没有退化（见图35）。在TCVOS略有退化（0.1μV/°C至0.2μV/℃）的情况下，可以使用1 kΩ至1 MΩ的其他电位计值。微调到非零值会产生约（VOS/300）μV/°C的漂移。例如，如果VOS调整为100μV，TCVOS的变化为0.33μV/°C。10 kΩ电位计的偏移电压调整范围为±4 mV。如果需要较小的调整范围，可以通过使用较小的电位计和固定电阻器来降低调零灵敏度。例如，图2显示了一个具有280μV调节范围的网络。

图2:偏移电压调整

噪声测量

要测量OP27在0.1 Hz至10 Hz范围内的80 nV p-p噪声规格，必须遵守以下预防措施：

●设备必须预热至少五分钟。如预热漂移曲线所示，由于加电后芯片温度的升高，偏移电压通常会变化4uV。在10秒的测量间隔内，这些温度引起的效应可能超过数十纳伏。

●出于类似的原因，该设备必须很好地屏蔽气流。屏蔽可最大限度地减少热电偶效应。

●设备附近的突然运动也会增加观察到的噪声。

●测量0.1 Hz至10 Hz噪声的测试时间不应超过10秒。如噪声测试仪频率响应曲线所示，0.1 Hz的拐角仅由一个零定义。10秒的测试时间作为额外的零点，以消除0.1 Hz以下频带的噪声贡献。

●当测量大量装置的噪声时，建议进行噪声电压密度测试。10Hz的噪声电压密度测量值与0.1Hz至10Hz的p-p噪声读数密切相关，因为这两个结果都是由白噪声和1/f角频率的位置决定的。

单位增益缓冲器应用

当Re≤100且输入由快速大信号脉冲（>1V）驱动时，输出波形如脉冲操作图所示（见图3）。

在输出的快速馈通部分，输入保护二极管有效地将输出端与输入端短路，信号发生器会产生仅受输出短路保护限制的电流。当R>500 Q时，输出能够满足电流要求（在10 V下I≤20 mA）；放大器保持在其活动模式，并且发生平滑过渡。

当R>2k时，Rr和放大器的输入电容（8pF）会产生一个极点，从而产生额外的相移并减小相位裕度。与Rr并联的小电容器（20pF至50pF）消除了这个问题。

图3:脉冲操作

关于噪音的评论

OP27是一款噪音极低的单片运算放大器。OP27的突出输入电压噪声特性主要是通过在高静态电流下操作输入级来实现的。通常会增加的输入偏置和偏移电流由输入偏置电流抵消电路保持在合理的值。OP27A/E在25℃时的IB和Io分别仅为40 nA和35 nA。当输入具有高源极电阻时，这一点尤为重要。此外，许多音频放大器设计人员更喜欢使用直接耦合。以前设计的高Is、Vos和TCVos使得直接耦合很难使用，如果不是不可能的话。

电压噪声与偏置电流的平方根成反比，但电流噪声与偏置电平方根成正比。当使用高源电阻时，OP27的噪声优势消失了。图4、图5、图6将观察到的OP27总噪声与不同电路应用中其他器件的噪声性能进行了比较。

图4显示了1000 Hz下的噪声与源电阻。同样的图适用于宽带噪声。要使用此图，请将垂直比例乘以带宽的平方根。

图4:1000 Hz时的噪声与源电阻（包括电阻器噪声）

当RS<1 kΩ时，OP27的低电压噪声得以保持。当RS<1 kΩ时，总噪声会增加，但主要由电阻噪声而不是电流或电压噪声主导。只有超过20kΩ的RS，电流噪声才开始占主导地位。可以认为，电流噪声对于低到中等源电阻的应用并不重要。OP27和OP07噪声之间的交叉发生在15kΩ至40kΩ的区域。

图5显示了0.1 Hz至10 Hz的p-p噪声。这里的照片不太好看；电阻噪声可以忽略不计，电流噪声很重要，因为它与频率的平方根成反比。与OP07的交叉发生在3kΩ至5kΩ的范围内，具体取决于是否使用平衡或不平衡的源电阻（在3k欧姆时，IB和IOSerror也可能是VOS规范的3倍）。

图5:作为源电阻的峰间噪声（0.1 Hz至10 Hz）（包括电阻器噪声）

对于低频应用，当RS>3kΩ时，OP07优于OP27/OP37。唯一的例外是gainerror很重要。图6显示了10Hz的噪声。正如预期的那样，结果介于前两个数字之间。

图6:10 Hz噪声与源电阻（包括电阻噪声）音频应用

音频应用

图7是使用A1的OP27的声子前置放大器电路的示例；R1-R2-C1-C2形成具有标准分量值的非常精确的RIAA网络。实现RIAA声子均衡的流行方法是在高质量增益块周围采用频率相关的反馈。如果选择得当，RC网络可以提供3180 us、318 us和75 us这三个必要的时间常数。

为了获得初始均衡的精度和稳定性，建议使用聚苯乙烯或聚丙烯的精密金属薄膜电阻器和薄膜电容器，因为它们具有低电压系数、损耗因子和介电吸收。（这里应该避免使用高k陶瓷电容器，尽管低k陶瓷，如具有优异耗散因子和稍低介电吸收的NPO型，可以考虑使用较小的值。）

图7:留声机前置放大器电路

OP27给该电路带来了3.2nV/√Hz的电压噪声和0.45pA/√Hz电流噪声。为了尽量减少其他来源的噪声，R3被设置为100Ω的值，产生1.3 nV/√Hz的电压噪声。噪声使放大器的3.2 nV/√Hz仅增加了0.7 dB。使用1 kΩ的源，在20 kHz的噪声带宽内，电路噪声测量值比1 mV参考电平低63 dB，未加权。

1 kHz时电路的增益（G）可以通过以下表达式计算：

对于所示的值，增益略低于100（或40 dB）。通过增加R3可以适应较低的增益，但由于OP27的8 MHz增益带宽，高于40 dB的增益会显示出更多的均衡误差。

该电路在其整个范围内能够实现非常低的失真，在高达7 V rms的水平下通常低于0.01%。在3V输出电平下，它在高达20kHz的频率下产生的总谐波失真小于0.03%。

电容器C3和电阻器R4形成一个简单的每倍频程6dB的隆隆声滤波器，在22Hz处有一个拐角。作为一种选择，开关选择的并联电容器C4（一种非极化电解质）绕过低频滚降。将隆隆声滤波器的高通动作放在前置放大器之后，可以区分RIAA放大的低频噪声分量和拾取产生的低频干扰。

NAB磁带播放的前置放大器类似于RIAA唱机前置放大器，尽管通常需要更大的增益，以及需要大量低频升压的均衡。图7中的电路可以很容易地修改为磁带使用，如图8所示。

图8:磁头前置放大器

虽然磁带均衡要求具有高于3kHz（T2=50us）的平坦高频增益，但放大器不需要稳定以获得单位增益。失代偿OP37提供了更大的带宽和转换速率。对于许多应用，所示的理想化时间常数可能需要微调R1和R2，以优化非理想磁头性能和其他因素的频率响应（见参考文献部分）。

配置的网络值在1 kHz时产生50 dB的增益，直流增益大于70 dB。因此，最坏情况下的输出偏移刚好超过500 mV。一个0.47 uF的输出电容器可以阻断这个电平，而不会影响动态范围。

磁头可以直接耦合到放大器输入端，因为400 mH、100μ英寸磁头（如PRB2H7K）的最坏情况偏置电流为80 nA并不麻烦。

放大器偏置电流瞬变会磁化磁头，这是一个潜在的磁头问题。OP27和OP37在加电或断电时没有偏置电流瞬变。控制电源上升和下降的速度以消除瞬态总是有利的。

此外，应仔细控制磁头的直流电阻，最好低于1kΩ。对于这种配置，如果磁头电阻没有得到充分控制，偏置电流感应的偏移电压可能会大于100pV的最大偏移。

一个简单但有效的固定增益无变压器麦克风前置放大器将低阻抗麦克风的差分信号放大50 dB，输入阻抗为2 kΩ。由于电路的高工作增益，OP37有助于保持110 kHz的带宽。由于OP37是一个失代偿设备（最小稳定增益为5），如果要拔下麦克风，可能需要一个虚拟电阻器R。否则，来自开路输入的100%反馈可能会导致放大器振荡。

共模输入噪声抑制将取决于电桥电阻比的匹配。应使用接近公差（0.1%）类型，或应修剪R4以获得最佳CMRR。所有电阻器应为金属膜型，以获得最佳稳定性和低噪声。

该电路的噪声性能更多地受到输入电阻器R1和R2的限制，而不是运算放大器的限制，因为R1和R2各自产生4 nV/√Hz的噪声，而运算放大器产生3.2 nV/？Hz的噪声。这些主要噪声源的均方根和约为6nV/√Hz，相当于20kHz噪声带宽内的0.9μV，或比1mV输入信号低近61dB。测量结果证实了这一预测性能。

对于要求明显较低噪声的应用，高质量的麦克风变压器耦合前置放大器采用了内部补偿的OP27。T1是一个JE115K-E 150Ω/15 kΩ变压器，为OP27设备提供了最佳的电源电阻。该电路的总增益为40dB，是变压器电压设置和运算放大器电压增益的乘积。

如果需要，可以通过调整R2或R1将增益调整到其他水平。由于OP27的低偏移电压，对于40 dB的增益，该电路的输出偏移非常低，为1.7 mV或更低。在这种情况下，可以消除典型的输出隔直电容器，但需要更高的增益来消除开关瞬态。

电容器C2和电阻器R2在该电路中形成2 us的时间常数，如变压器制造商所建议的最佳瞬态响应。使用C2时，A1必须具有单位增益稳定性。对于不需要2 us时间常数的情况，可以删除C2，从而使用更快的OP37。

连接到无噪声放大器的150电阻器和R1和R2增益电阻器在20 kHz带宽内产生220 nV的噪声，或比1 mV参考电平低73 dB。任何实用的放大器只能接近这个噪声水平；在指定了OP27和T1的情况下，额外的噪声衰减接近3.6 dB（参考1 mV为-69.5）。