OP193/OP293/OP493:精密微功率运算放大器

特征

●工作电压范围为+1.7 V至618 V

●低电源电流：15mA/放大器

●低偏移电压：75 mV

●输出接收器和源：68 mA

●无相位反转

●单电源或双电源操作

●高开环增益：600 V/mV

应用

●电子称

●应变片

●便携式医疗设备

●电池供电仪器

●温度传感器放大器

一般说明

OP193系列单电源运算放大器具有高精度、低电源电流和在低电压下工作的能力。对于高性能的单电源系统，输入和输出范围包括地线，输出从负轨摆动到正电源的600 mV以内。对于低电压操作，OP193系列可以低至1.7伏或±0.85伏。

高精度和低功耗操作的结合使OP193系列可用于电池供电的设备。其低电流消耗和低电压操作使其能够在其他放大器因电池耗尽或净空而停止工作后很长时间内继续运行。

OP193系列适用于HOT（-40°C至+125°C）温度范围内的单+2伏至双±15伏操作。它们有塑料DIP和SOIC表面贴装封装。

功能描述

OP193系列运算放大器是单电源、微功率、精密放大器，其输入和输出范围包括接地。输入偏移电压（VOS）最大仅为75µV，而输出将向负载提供±5mA。电源电流仅为17µA。

输入级的简化示意图如图1所示。输入晶体管Q1和Q2是PNP器件，允许输入低至地电位运行。输入晶体管具有与基极端子串联的电阻器，以保护结免受过电压条件的影响。第二级是NPN共源共栅，在驱动最终的PNP增益级之前，由射极跟随器缓冲。

OP193包括与输入负载电阻器上的抽头的连接，可用于使输入偏移电压VOS为零。OP293和OP493有两个额外的晶体管Q7和Q8。这些晶体管的行为在本数据表的输出相位反转部分进行了讨论。

如图2所示，输出级是一种非反相NPN“图腾柱”配置。电流由发射器跟随器Q1提供给负载，而Q2提供电流吸收能力。当Q2饱和时，在没有外部下拉电阻器的情况下，输出被拉到离地5 mV以内。图腾极输出级将向外部负载提供至少5mA的电流，即使在使用单个3.0V电源时也是如此。

通过作为射极跟随器工作，Q1为输入级的最终PNP集电极提供了高阻抗负载。Q2的基极驱动是通过监测Q1的集电极电流得出的。晶体管Q5跟踪Q1的集电极电流。当Q1开启时，Q5保持Q4关闭，电流源I1保持Q2关闭。当Q1被驱动到截止状态时（即输出必须向V-移动），Q5允许Q4开启。Q4的集电极电流为Q3和Q2提供基极驱动，Q2的VCE、SAT产生约5 mV的输出低电压摆幅。

图1:OP193/OP293/OP493等效输入电路

图2:OP193/OP293/OP493等效输出电路

驱动电容性负载

OP193系列放大器在电容性负载小于200pF的情况下是无条件稳定的。但是，如果添加电阻负载，小信号、单位增益过冲将得到改善。例如，当驱动1000pF/10k时，瞬态过冲为20%Ω load.当在单位增益配置中驱动大电容性负载时，建议采用环路内补偿技术。

输入过压保护

如前所述，OP193系列运算放大器使用aPNP输入级，在反相和非反相输入端串联保护电阻器。PNP晶体管的高击穿，再加上保护电阻器，提供了大量的过电压条件下的输入保护。因此，在不损坏放大器的情况下，可以在任何一个电源之外获得20 V的输入。

输出相位反转——OP193

如果输入端比地低一个以上的二极管压降（0.7V），OP193的输入PNP集电极-基极结可以正向偏置。当这种情况发生在非反相输入端时，共源共栅级的Q4会导通，输出会变大。如果正输入信号可以低于地电位，则可以通过用二极管将输入箝位到负电源（即GND）来防止相位反转。当然，二极管的反向泄漏会增加放大器的输入偏置电流。如果输入偏置电流不是关键的，1N914将增加小于10nA的泄漏。然而，环境温度每升高10°C，其漏电流就会加倍。对于关键应用，2N3906晶体管的集电极-基极结只会增加约10 pA的额外偏置电流。为了在故障条件下限制通过二极管的电流，1 kΩ建议将电阻器和输入端串联。（OP193的内部限流电阻器不会保护外部二极管）。

输出相位反转——OP293和OP493

OP293和OP493包括横向PNP晶体管Q7和Q8，以防止相位反转。如果一个输入被带到地下一个以上的二极管压降（≈0.7 V），Q7和Q8会同时对整个共源共栅级进行电平移位，包括对Q3和Q4的偏置。在这种情况下，Q4将不饱和，输出保持低电平。

OP293和OP493在+25°C时，对于低于V以下-5V的输入，不会出现输出相位反转。+125°C时的相位反转限制约为-3V。如果输入可以在这些电平以下驱动，则应添加一个外部箝位二极管，如前一节所述。

电池供电应用

OP193系列运算放大器可以在+1.7 V的最低电源电压下运行，并且从2.0 V电源中仅消耗13µa的电源电流放大器。在许多电池供电的电路中，OP193设备可以在需要更换电池之前连续运行数千小时，从而减少设备停机时间和运营成本。

高性能便携式设备和仪器经常使用锂电池，因为与旧的原电池相比，锂电池的保质期长、重量轻、能量密度高。大多数锂电池的标称输出电压为3V，并被认为具有平坦的放电特性。OP193的低电源电压要求，再加上锂电池的平坦放电特性，表明OP193可以在电池的整个使用寿命内运行。图3显示了为OP193、OP293和OP493供电的1 AH锂电池的典型放电特性，每个放大器依次将2.1伏电压驱动到100 kΩ load.

图3:OP193系列100k锂二氧化硫电池放电特性Ω Loads

输入偏移电压归零

OP193提供两个偏移归零端子，可用于调整OP193的内部VOS。一般来说，运算放大器端子不应用于调整系统偏移电压。图4的偏移零点电路提供了约±7 mV的偏移调整范围。A 100kΩ 如图5所示，与偏移零点电位计的擦拭臂串联的电阻器将偏移调整范围减小到400µV，建议用于需要高零点分辨率的应用。只要微调电位计的温度系数不超过±100 ppm/°C，偏移归零不会对TCVOS性能产生不利影响。

图4:偏移归零电路

图5:高分辨率偏移归零电路

微功率假接地发生器

当输入端高于地电位时，一些单电源电路的工作效果最好，通常为电源电压的1/2。在这些情况下，可以通过使用放大器缓冲的分压器来创建假接地。

该电路将在电源电压的1/2处产生错误的接地参考，而从5V电源中仅汲取约27µa的电流。该电路包括补偿，以允许在假接地输出处使用1µF的旁路电容器。大电容器的好处是，不仅假接地对负载的直流电阻很低，而且其交流阻抗也很低。OP193可以吸收和提供超过5mA的电流，从而缩短了负载电流瞬态的恢复时间。

电池供电的电压基准

图6的电路是一个电池供电的电压参考，仅消耗17µa的电源电流。在这个水平上，两个AA碱性电池可以为这个参考供电超过18个月。在25°C的输出电压为1.23 V时，参考在工业温度范围内的漂移仅为5.5µV/°C。负载调节为85µV/mA，线路调节为120µV/V。

参考的设计基于布罗考带隙核心技术。电阻器R1和R2的缩放在Q1和Q2中产生不相等的电流。R3两端产生的∆VBE产生温度比例电压（PTAT），进而在R4和R5两端产生更大的温度比例电压V1。

V1的温度系数抵消了VBE1的绝对温度补充（CTAT）系数（一阶）。当调整到1.23 V@+25°C时，输出电压tempco最小。带隙引用可能存在启动问题。由于R1和R2中没有电流，OP193超出了其正输入范围限制，并具有未定义的输出状态。在这种情况下，将引脚5（偏移调整引脚）接地会迫使输出变高，并确保可靠的启动，而不会显著降低OP193的偏移漂移。

图6:电池供电的电压基准

单电源电流监测器

电流监测主要包括放大与待测电流串联的电阻器两端的电压降。难点在于，只能容忍很小的电压降，而对于低精度运算放大器，这大大限制了整体分辨率。图7的单电源电流监测器的分辨率为10µa，能够监测30mA的电流。该范围可以通过改变电流感测电阻器R1来调节。在测量总系统电流时，可能需要在最终结果中包括绕过电流感测电阻器的电流监测器的电源电流。通过调整偏移微调电位计R2，可以测量和校准该电流（以及剩余偏移）。这会产生一种有意的温度依赖性偏移。然而，OP193的电源电流也与温度成正比，并且这两种效应趋于跟踪。R4和R5中的电流也绕过R1，可以通过再次微调来调节。

图7:单电源电流监测器

单电源仪表放大器

设计具有零输入和零输出操作的真正单电源仪表放大器需要特别小心。图8所示的传统配置取决于当施加的共模输入电压为0V时，放大器A1的输出为0V。输出端的任何误差都乘以A2的增益。此外，当A2的输出电压增加时，电流流过电阻器R3。A1的输出必须保持在0V，同时通过R3吸收电流，否则将导致增益误差。在最大输出电压为4V的情况下，通过R3的电流仅为2µa，但这仍会产生可精确的误差。

图8:传统仪器放大器

解决这个问题的一种方法是使用下拉电阻器。例如，如果R3=20kΩ,那么下拉电阻必须小于400Ω. 然而，当施加共模电压时，下拉电阻器表现为固定负载。在4V共模电压下，额外的负载电流将为10mA，这在低功耗应用中是不可接受的。

图9显示了一个更好的解决方案。A1的吸收电流由一对配置为电流镜的N沟道FET晶体管提供。根据所示值，Q2的吸收电流约为340µA。因此，在4 V的共模电压下，额外的负载电流限制在340µa，而a400的负载电流为10 mAΩ 电阻器。

图9:一种改进的单电源、0 VIN、0 VOUT仪表放大器

低功耗、温度范围为4-20mA的变送器

一个简单的4-20mA温度变送器。校准后，该变送器的精度为±0.5°，覆盖-50°C至+150°C的温度范围。变送器的工作电压范围为+8 V至+40 V，电源抑制优于3 ppm/V。OP293的一半用于缓冲VTEMPpin，而另一半用于调节输出电流，以满足其非反相输入端的电流总和：

输出电流随温度的变化是传递函数的导数：

从公式中可以看出，如果在零点微调之前调整跨度微调，这两个微调是不相互作用的，这大大简化了校准过程。

变送器的校准很简单。首先，通过调整跨度微调R7来校准输出电流与温度的斜率。可能需要几次迭代来确保斜率正确。

一旦跨度修剪完成，就可以进行零修剪。请记住，调整零点微调不会影响电网。

通过调整R5，可以在任何已知温度下设置零点微调，直到输出电流等于：

表I显示了不同温度范围所需的R6值。

微功率压控振荡器

OP293与廉价的四CMOS模拟开关相结合，形成了精密VCO。该电路提供三角波和方波输出，仅从单个5V电源中汲取50µA。A1充当积分器；S1对称地切换充电电流，以产生正负斜坡。积分器由A2界定，A2充当施密特触发器，具有1.67伏的精确滞后，由电阻器R5、R6和R7以及相关的CMOS开关设置。A1的输出结果是一个上下电平分别为3.33伏和1.67伏的三角波。A2的输出是方波，几乎是轨对轨摆动。对于所示的组件，操作频率由以下方程式给出：

但通过改变C1可以很容易地改变这一点。该电路在500 Hz以下运行良好。

一种微功率单电源四电压输出8-BitDAC

电路使用DAC8408 CMOS四路8位DAC和OP493形成单电源四路电压输出DAC，电源漏极仅为140µa。DAC8408用于电压切换模式，每个DAC都有一个输出电阻（≈10 kΩ) 独立于数字输入码。输出放大器充当缓冲器，以避免加载DAC。100kΩ 电阻器确保OP493输出将在接地的1/2 LSB内摆动，即：

单电源微功率四路可编程增益放大器

四路OP493和DAC8408四路8位CMOS DAC的组合创建了一个四路可编程增益放大器，静态电源漏极仅为140µa。DAC上存在的数字代码很容易由微处理器设置，它决定了固定DAC反馈电阻与DAC反馈梯形图呈现给运算放大器反馈回路的电阻之间的比率。每个放大器的增益为：

其中n等于DAC处8位数字码的十进制等效值。

如果DAC上的数字代码全为零，则反馈回路将打开，导致运算放大器饱和。The 10 MΩ 与DAC反馈回路并联放置的电阻器通过增益精度的非常小的降低消除了这个问题。2.5V参考电压将放大器偏置到线性区域的中心，提供最大的输出摆动。