OPAx348-Q1 1-MHz 45-μA CMOS轨对轨运算放大器—OPA348-Q1, OPA2348-Q1, OPA4348-Q1

特征

•适合汽车应用

•AEC-Q100符合以下结果：

–设备温度等级1：–40°C至+125°C环境工作温度范围

–设备HBM ESD等级2

–设备CDM ESD分类等级C4B

•低静态电流（IQ）：45μA（典型值）

•低成本

•轨对轨输入和输出

•单电源：2.1 V至5.5 V

•输入偏置电流：0.5 pA（典型值）

•高速：功率带宽：1 MHz

应用

•便携式设备

•电池供电设备

•烟雾报警器

•一氧化碳探测器

•HEV/EV和动力传动系

•信息娱乐和集群

•医疗器械

说明

OPAx348-Q1系列器件是单电源、低功耗CMOS运算放大器。OPAx348-Q1系列设备具有1MHz的扩展带宽和45μa的电源电流，适用于2.1V至5.5V的单电源低功耗应用。

45μA的低电源电流和0.5 pA的输入偏置电流使OPAx348-Q1系列器件成为低功耗、高阻抗应用（如烟雾探测器和其他传感器）的最佳候选产品。

OPA348-Q1器件有SOT23-5（DBV）和SOIC（D）两种封装形式。OPA2348-Q1器件采用SOIC-8（D）封装。OPA4348-Q1设备在TSSOP-14（PW）包中提供。所有电源电压下的汽车温度范围为-40°C至+125°C，提供了额外的设计灵活性。

设备信息

（1）、有关所有可用的软件包，请参阅数据表末尾的医嘱内容附录。

无反转配置驱动ADS7822

典型特征

在TA=25°C时，RL=100 kΩ连接到VS/2，VOUT=VS/2（除非另有说明）。

详细说明

概述

OPAx348-Q1系列器件是一种低功耗、轨对轨输入输出运算放大器。这些器件的工作电压从1.8伏到5.5伏，单位增益稳定，适用于广泛的通用应用。AB级输出级能够驱动连接到V+和地之间任何点的≤10-kΩ负载。输入共模电压范围包括两个轨道，并允许OPAx348-Q1系列设备用于几乎任何单一电源应用。轨对轨输入和输出摆幅大大增加了动态范围，特别是在低电源应用中，使其成为驱动采样模数转换器（adc）的理想选择。

功能框图

特性描述

工作电压

OPAx348-Q1运算放大器完全符合要求，可在1.8 V至5.5 V的电压范围内工作。此外，许多规格适用于-40°C至+125°C之间。随工作电压或温度而显著变化的参数如典型特性图所示。电源引脚应使用0.01-μF陶瓷电容器进行旁路。

轨对轨输入

将opax3200mv的输入电压范围扩展到了opax3200系列的输入电压范围之外。这种性能是通过一个互补的输入级实现的：一个N信道输入差分对与一个P信道差分对并行。N通道对在正极轨道附近的输入电压有效，通常为正极电源上方（V+）-1.3 V至200 mV。对于从负电源以下200 mV到大约（V+）-1.3 V的输入，P通道对处于开启状态。存在一个小的过渡区域，通常为（V+）-1.4 V至（V+）-1.2 V，其中两个对都打开。这个200毫伏的过渡区可以随着工艺的变化而变化到300毫伏。因此，在低端，过渡区（两个阶段都开启）的范围为（V+）-1.7 V至（V+）-1.5 V，高端可达（V+）-1.1 V至（V+）-0.9 V。在该过渡区域内，与该区域外的器件操作相比，PSRR、CMRR、偏移电压、偏移漂移和THD可能降低。

轨对轨输入

输入共模范围从（V-）–0.2 V扩展到（V+）+0.2 V。对于正常操作，输入应限制在该范围内。绝对最大输入电压超过电源500毫伏。大于输入共模范围但小于最大输入电压的输入虽然无效，但不会对运算放大器造成任何损坏。与其他运算放大器不同，如果输入电流受到限制，输入可能会超出电源而不发生相位反转，如图19所示。

正常情况下，输入电流为0.5 pA。但是，大输入（超过电源轨500 mV）会导致过多电流流入或流出输入引脚。因此，将输入电流限制在10毫安以下以及保持输入电压低于最大额定值是很重要的。如图20所示，输入电阻很容易实现。

输入和ESD保护

OPAx348-Q1系列设备在所有引脚上集成了内部静电放电（ESD）保护电路。对于输入和输出引脚，这种保护主要由连接在输入和电源引脚之间的电流控制二极管组成。这些ESD保护二极管还提供电路内输入过驱动保护，只要电流限制在10毫安，如绝对最大额定值表所述。图21显示了如何在驱动输入端添加一个串联输入电阻来限制输入电流。增加的电阻在放大器输入端产生热噪声，在对噪声敏感的应用中，该值应保持在最小值。

共模抑制比（CMRR）

OPAx348-Q1系列器件的CMRR有多种规定，因此可以使用与给定应用最匹配的CMRR；参见电气特性表。首先，给出了过渡区[VCM<（V+）-1.3v]以下共模范围内器件的CMRR。当应用需要使用一个差分输入对时，本规范是设备性能的最佳指示器。其次，整个共模范围内的共模抑制比规定为（VCM=–0.2 V至5.7 V）。最后一个值包括通过过渡区域看到的变化（见图22）。

共模电压范围

OPAx348-Q1设备的输入共模电压范围超出电源轨200毫伏。这种扩展范围是通过一个互补输入级一个N信道输入差分对与一个P信道差分对并行来实现的。对于靠近正轨的输入电压，N通道对是有效的，通常是正极电源上方的（V+）-1.2 V到300 mV，而P通道对对于从负电源下方300 mV到大约（V+）-1.4 V的输入电压是开启的。存在一个小的过渡区，通常是（V+）-1.4 V到（V+）-1.2 V，两个电压对都在这个过渡区中正在打开。图22所示的200 mV过渡区可随工艺变化而变化±300 mV。因此，在低端，过渡区（两个阶段都开启）的范围为（V+）-1.7 V至（V+）-1.5 V，高端可达（V+）-1.1 V至（V+）-0.9 V。在200mv过渡区内，与在该区外运行相比，PSRR、CMRR、偏移电压、偏移漂移和THD可能降低。

电磁干扰敏感性和输入滤波

运算放大器随设备对电磁干扰（EMI）的敏感性而变化。如果传导EMI进入运算放大器，则在EMI存在时，放大器输出处观察到的直流偏移可能会偏离标称值。这种偏移是与内部半导体结相关的信号整流的结果。虽然所有运算放大器引脚功能都会受到电磁干扰的影响，但信号输入引脚可能是最易受影响的。OPAx348-Q1系列设备包含一个内部输入低通滤波器，可降低放大器对EMI的响应。该滤波器提供共模和差模滤波。该滤波器的截止频率约为80MHz（-3dB），每十年衰减20dB。

德州仪器公司已经开发出能够准确测量和量化运算放大器在从10兆赫到6兆赫的宽频带上的抗扰度。EMI抑制比（EMIRR）指标允许通过EMI抗扰度直接比较运算放大器。详细信息也可在应用报告中找到，运算放大器的EMI抑制比（SBOA128）。

轨间输出

作为一个微功率、低噪声运算放大器，OPAx348-Q1系列设备提供了强大的输出驱动能力。AB类输出级采用共源晶体管，以实现完全的轨对轨输出摆动能力。对于高达10 kΩ的电阻负载，无论施加的电源电压如何，输出通常在任一供电轨的5 mV范围内摆动。不同的负载条件会改变放大器靠近轨道摆动的能力；参考图，输出电压摆动与输出电流。

AB类输出级采用共源晶体管实现轨对轨输出。该输出级能够驱动连接至V+和接地之间任何电位的5-kΩ负载。对于轻阻性负载（>100kΩ），输出电压通常可以从电源轨摆动到18mv以内。在中等电阻负载（10 kΩ至50 kΩ）的情况下，输出电压通常可在电源轨100 mV范围内摆动，同时保持较高的开环增益（参见典型特征部分中的图6）。

电容性负载和稳定性

在单位增益配置的OPAx348-Q1系列器件可以直接驱动高达250pF的纯电容负载。增加增益可以增强放大器驱动更大电容性负载的能力（参见典型特征部分的图13）。在单位增益配置中，电容性负载驱动可以通过在输出端串联一个小的（10Ω到20Ω）电阻器RS来改善，如图24所示。这种电阻器在保持纯电容性负载的直流性能的同时显著降低了振铃。然而，如果电阻负载与电容性负载并联存在，则会产生分压器，在输出端引入直流（dc）误差，并略微减小输出摆幅。引入的误差与比值RS/RL成正比，通常可以忽略不计。

在单位增益逆变器配置中，相位裕度可以通过运算放大器输入端的电容和增益设定电阻之间的反应而减小，从而降低电容负载驱动。使用小值电阻可获得最佳性能。例如，当驱动500 pF负载时，将电阻值从100 kΩ减小到5 kΩ，将过冲从55%降低到13%（参见典型特征部分的图13）。然而，当大值电阻无法避免时，可以在反馈回路中插入一个小的（4-pF到6-pF）电容器CFB，如图25所示。这种小电容器通过补偿电容CIN（包括放大器的输入电容和印刷电路板（PCB）的寄生电容）的影响，显著降低了过冲。

设备功能模式

连接电源后，OPAx348-Q1系列设备通电。该装置可以作为单电源运算放大器或双电源放大器运行，具体取决于应用。

应用与实施

注意

以下应用章节中的信息不是TI组件规范的一部分，TI不保证其准确性或完整性。TI的客户负责确定组件的适用性。客户应验证和测试其设计实现，以确认系统功能。

申请信息

OPAx348-Q1运算放大器（运算放大器）单位增益稳定，适用于广泛的通用应用。

OPAx348-Q1设备具有宽带宽和单位增益稳定性，具有轨对轨输入和输出，以增加动态范围。图23显示了unitygain配置的OPAx348-Q1设备的输入和输出波形。操作由单个5 V电源供电，100-kΩ负载连接至VS/2。输入为5-VPP正弦波。输出电压约为4.98 VPP。

电源插脚应使用0.01-μF陶瓷电容器绕过。

驱动模数转换器（ADC）

OPAx348-Q1运算放大器优化用于驱动中速采样ADC。OPAx348-Q1运算放大器在提供信号增益的同时缓冲ADC输入电容和由此产生的电荷注入。

图26显示了在驱动ADS7822设备的基本非转换配置中的OPA2348。ADS7822设备是MSOP-8封装中的12位微功耗采样转换器。当与OPAx348-Q1系列器件的低功耗微型封装一起使用时，这种组合是空间有限、低功耗应用的理想选择。在这种配置中，ADC输入端的RC网络可用于提供抗混叠滤波和电荷注入电流。

OPAx348-Q1系列设备还可用于非转换配置，以在有限的低功耗应用中驱动ADS7822设备。在这种配置中，ADC输入端的RC网络可用于提供抗混叠滤波和电荷注入电流。在语音带通滤波数据采集系统中驱动ADS7822设备的OPAx348-Q1见图26。这种小型、低成本的解决方案提供了必要的放大和信号调节，以便直接与驻极体麦克风接口。该电路在VS=2.7 V至5 V的条件下工作，典型静态电流小于250μA。

典型应用

有些应用需要差分信号。图28显示了一个简单的电路，将0.1 V至2.4 V的单端输入转换为单个2.7 V电源上的±2.3 V差分输出。有意限制输出范围以使线性度最大化。电路由两个放大器组成。一个放大器起缓冲作用，产生电压VOUT+。第二个放大器反转输入，并添加一个参考电压来生成VOUT–。VOUT+和VOUT–范围从0.1 V到2.4 V。差值VDIFF是VOUT+和VOUT–之间的差值。这种配置使得差分输出电压范围为2.3V。

设计要求

设计要求如下：

•电源电压：2.7 V

•参考电压：2.5 V

•输入：0.1 V至2.4 V

•输出差：±2.3 V

•输出共模电压：1.25 V

•小信号带宽：1 MHz

详细设计程序

图28中的电路接收单端输入信号VIN，并生成两个输出信号VOUT+和VOUT–使用两个放大器和一个参考电压VREF。VOUT+是第一个放大器的输出，是输入信号VIN的缓冲版本（如等式1所示）。VOUT–是第二个放大器的输出，它使用VREF向VIN添加偏移电压，并通过反馈添加反向增益。VOUT–的传递函数在方程式2中给出。

差分输出信号VDIFF是两个单端输出信号VOUT+和VOUT-。方程3显示了VDIFF的传递函数。通过应用R1=R2和R3=R4的条件，将传递函数简化为方程6。使用这种配置，最大输入信号等于参考电压，每个放大器的最大输出等于VREF。差分输出范围为2×VREF。此外，共模电压（VCM）是VREF的一半（见方程式7）。

放大器选择

输入范围内的线性度是良好直流精度的关键。共模输入范围和输出摆幅限制决定了线性度。一般来说，需要一个具有轨对轨输入和输出摆动的放大器。带宽是这种设计的一个关键问题，因此选择OPAx348-Q1系列设备是因为它的带宽大于1mhz的目标。带宽和功率比使该器件的功率效率高，低偏移和漂移确保了中等精度应用的良好精度。

无源元件选择

由于VOUT的传递函数严重依赖于电阻器（R1、R2、R3和R4），因此使用低公差的电阻器可最大限度地提高性能并将误差降至最低。本设计使用电阻值为49.9 kΩ，公差为0.1%的电阻器。但是，如果系统的噪声是一个关键参数，可以选择较小的电阻值（6kΩ或更低），以保持整个系统的低噪声。这种技术可以确保来自电阻器的噪声低于放大器的噪声。

应用曲线

电源建议

OPAx348-Q1系列设备规定在1.8 V至5.5 V（±0.9 V至±2.75 V）下工作；许多规范适用于-40°C至125°C。典型特征所示参数可能会显示出与工作电压或温度相关的显著差异。

注意安全

绝对电压大于7 V（可永久性地损坏设备）。

将0.1-μF旁路电容器靠近电源引脚，以减少噪声或高阻抗电源的耦合误差。有关旁路电容器放置的更多详细信息，请参阅布局指南部分。

布局

布局指南

为获得设备的最佳操作性能，请使用良好的PCB布局实践，包括：

•噪声可通过整个电路的电源引脚和运算放大器传播到模拟电路中。旁路电容器通过为模拟电路提供局部低阻抗电源来降低耦合噪声。

–将低ESR、0.1-μF陶瓷旁路电容器连接在每个电源引脚和接地之间，并尽可能靠近设备。从V+到地的单旁路电容器适用于单电源应用。

•电路模拟和数字部分的单独接地是最简单和最有效的噪声抑制方法之一。多层印刷电路板上的一层或多层通常用于接地层。接地板有助于分配热量并减少电磁干扰噪音。确保在物理上分离数字和模拟接地，注意接地电流的流动。有关详细信息，请参阅电路板布局技术，SLOA089。

•尽可能远离输入或输出的寄生迹线。如果这些迹线不能分开，垂直穿过敏感迹线要比平行于噪声迹线要好得多。

•将外部组件尽可能靠近设备。保持RF和RG靠近逆变输入，以最小化寄生电容，如图32所示。

•输入记录道的长度应尽可能短。始终记住，输入轨迹是电路中最敏感的部分。

•考虑在关键线路周围设置一个驱动的低阻抗保护环。保护环可以显著降低附近不同电位的漏电电流。

布局示例