精密微功耗運算放大器OP193/OP293：特性、應用與設計要點

在電子工程師的日常設計工作中，運算放大器是不可或缺的基礎元件。今天，我們要深入探討的是Analog Devices公司的OP193/OP293精密微功耗運算放大器，它在眾多領域展現出了卓越的性能。

文件下載：OP293.pdf

產品概述

OP193/OP293是單電源運算放大器，具有高精度、低電源電流和低電壓工作的特點。其輸入和輸出范圍包含地，輸出可從負軌擺動到正電源600mV以內。該放大器可在+1.7V至±18V的電源電壓下工作，低電流消耗和低電壓操作使其在電池供電設備中表現出色。它被指定用于單+2V至雙±15V的操作，工作溫度范圍為?40°C至+125°C，采用SOIC表面貼裝封裝。

產品特性

電源與功耗

• 寬電源范圍：能夠在+1.7 V至±18 V的電源電壓下穩定工作，這為不同電源配置的電路設計提供了極大的靈活性。無論是單電源還是雙電源應用，OP193/OP293都能勝任。比如在一些便攜式設備中，可能使用單節電池供電，電壓較低；而在工業控制等復雜系統中，可能會用到雙電源，OP193/OP293都能適應。
• 低功耗：每放大器的電源電流僅為15 μA，這在當今追求節能和長續航的電子設備設計中尤為重要。以電池供電的設備為例，低功耗意味著電池的使用時間可以大大延長，減少了頻繁更換電池的麻煩，同時也降低了設備的散熱需求，提高了系統的可靠性。

  性能指標

• 低失調電壓：最大僅為100 μV，能夠有效減少信號處理過程中的誤差，提高系統的精度。在對精度要求較高的應用中，如數字秤、應變計等，微小的失調電壓可能會導致測量結果出現較大偏差，而OP193/OP293的低失調電壓特性可以很好地滿足這些應用的需求。
• 高輸出驅動能力：輸出能夠吸收和提供±8 mA的電流，可以直接驅動一些負載，減少了額外驅動電路的使用，簡化了電路設計。
• 無相位反轉：在工作過程中不會發生相位反轉的現象，保證了信號的完整性和準確性，使得系統在復雜的信號處理過程中能夠穩定運行。
• 高增益與穩定性：具有600 V/mV的高開環增益，并且在單位增益下穩定，能夠提供準確和穩定的放大效果，適合各種信號放大應用。

  應用領域廣泛

  根據前面提到的特性，可以推測其應用領域如下：

• 高精度測量領域：如數字秤和應變計，低失調電壓和高增益能夠保證測量的準確性。在數字秤中，需要對微小的重量變化進行精確測量，OP193/OP293的高精度特性可以確保秤的讀數準確無誤；在應變計應用中，能夠精確放大應變信號，為應力分析等提供可靠的數據。
• 醫療設備：便攜式醫療設備通常對功耗和精度有較高要求，OP193/OP293的低功耗和高精度正好滿足這些需求。例如，一些便攜式的血壓計、血糖儀等設備，需要長時間使用電池供電，同時對測量結果的準確性要求很高，OP193/OP293可以作為信號放大和處理的核心元件，保證設備的性能。
• 電池供電設備：其低功耗和寬電源范圍使其非常適合電池供電的儀器儀表和設備。在野外監測設備、無線傳感器節點等應用中，電池是主要的供電來源，OP193/OP293能夠在有限的電池電量下長時間穩定工作，減少了維護成本和更換電池的頻率。
• 溫度傳感器應用：在溫度傳感器放大器中，能夠準確地放大溫度傳感器輸出的微弱信號，實現對溫度的精確測量。

電氣特性詳解

不同電源電壓下的性能

文檔中給出了在(V{S}= pm 15.0 V)、(V{S}=5.0 V)、(V{S}=3.0 V)和(V{S}=2.0 V)等不同電源電壓下的電氣特性參數。以(V{S}= pm 15.0 V)為例，在E級和F級中，輸入失調電壓（Offset Voltage）方面，OP193的典型值在150 μV - 250 μV之間，最大為350 μV；輸入偏置電流（Input Bias Current）在?40°C ≤ (T{A}) ≤ +125°C的范圍內為20 nA。這些參數反映了放大器在該電源電壓下的輸入特性，對于電路設計中的誤差分析和信號處理非常重要。

動態性能

• 壓擺率（Slew Rate）：在(R_{L}=2kΩ)的條件下，壓擺率為15 V/ms，這決定了放大器能夠處理的信號變化速度。在高頻信號處理或快速變化信號的放大中，較高的壓擺率可以保證信號的不失真放大。
• 增益帶寬積（Gain Bandwidth Product）：為35 kHz，它表示放大器的增益和帶寬之間的關系。在設計放大器電路時，需要根據具體的應用需求來平衡增益和帶寬，以確保放大器能夠在所需的頻率范圍內正常工作。

功能與電路設計

輸入輸出電路

OP193/OP293的輸入級采用PNP晶體管，允許輸入信號降至地電位，并且在基極串聯了電阻以保護結免受過壓影響。輸出級是一個非反相NPN圖騰柱結構，能夠為負載提供最小5 mA的電流。這種設計使得放大器在單電源3.0 V供電時也能正常工作，輸出能夠接近地電位。

容性負載驅動

當驅動小于200 pF的容性負載時，OP193/OP293是無條件穩定的。如果添加一個電阻性負載，小信號單位增益過沖會得到改善。對于大容性負載的單位增益配置，建議采用環路補償技術，以確保放大器的穩定性和信號質量。

輸入過壓保護

通過采用PNP輸入級和串聯保護電阻，OP193/OP293能夠承受輸入電壓超過電源20 V而不損壞，為電路提供了可靠的保護。

輸出相位反轉

• OP193：當輸入信號低于地電位超過一個二極管壓降（0.7 V）時，可能會發生輸出相位反轉。可以通過使用二極管將輸入鉗位到負電源來防止這種情況發生，但需要注意二極管的反向漏電流會增加放大器的輸入偏置電流。
• OP293：內置了兩個橫向PNP晶體管Q7和Q8，能夠防止相位反轉。在+25°C時，輸入電壓可低至?5 V而不發生相位反轉；在+125°C時，相位反轉極限約為?3 V。如果輸入可能低于這些水平，建議添加外部鉗位二極管。

應用電路設計

電池供電應用

OP193/OP293可以在最低1.7 V的電源電壓下工作，從2.0 V電源中每個放大器僅消耗13 μA的電源電流。在許多電池供電的電路中，能夠連續工作數千小時，減少了設備的停機時間和運營成本。以鋰電池為例，其標稱輸出電壓為3 V，且具有平坦的放電特性，OP193/OP293可以在電池的整個使用壽命內正常工作。

微功耗假地發生器

通過使用電壓分壓器和放大器緩沖，可以創建一個假地參考，其電壓為電源電壓的一半。該電路從5 V電源中僅消耗約27 μA的電流，并且在假地輸出端添加了1 μF的旁路電容進行補償，能夠提供低直流電阻和低交流阻抗，同時OP193能夠吸收和提供超過5 mA的電流，提高了負載電流瞬變的恢復時間。

電池供電電壓基準

基于Brokaw帶隙核心技術設計的電池供電電壓基準電路，僅消耗17 μA的電源電流。兩個AA堿性電池可以為該基準供電超過18個月。在25°C時輸出電壓為1.23 V，在工業溫度范圍內的漂移僅為5.5 μV/°C，負載調節率為85 μV/mA，線調節率為120 μV/V。通過短路引腳5可以確保可靠啟動，同時不會顯著降低OP193的失調漂移。

單電源電流監測器

該電路的分辨率為10 μA，能夠監測30 mA的電流。通過改變電流感測電阻R1可以調整監測范圍。在測量系統總電流時，需要考慮電流監測器的電源電流，并通過調整失調微調電位器R2進行校準。

單電源儀表放大器

傳統的單電源儀表放大器設計存在一些問題，如輸出誤差會被放大、負載電流會導致增益誤差等。改進后的設計采用了N溝道FET晶體管作為電流鏡，提供A1的吸收電流，減少了額外的負載電流，更適用于低功耗應用。

低功耗溫度至4 mA至20 mA變送器

該變送器在?50°C至+150°C的溫度范圍內精度可達±0.5°C，工作電壓范圍為8 V至40 V，電源抑制比優于3 ppm/V。通過調整跨度微調（span trim）和零微調（zero trim）可以進行校準，且兩者互不影響，簡化了校準過程。

微功耗電壓控制振蕩器

由OP293和CMOS模擬開關組成的精密VCO電路，能夠提供三角形和方形波輸出，從單5 V電源中僅消耗50 μA的電流。通過改變電容C1可以輕松改變振蕩器的頻率，該電路在高達500 Hz的頻率下工作良好。

總結

OP193/OP293精密微功耗運算放大器憑借其出色的特性、廣泛的應用領域和豐富的應用電路設計，為電子工程師提供了一個強大而可靠的選擇。在設計過程中，我們需要充分考慮其電氣特性、功能特點和應用電路的要求，以確保設計出高性能、穩定可靠的電子系統。大家在實際應用中有沒有遇到過類似運算放大器的其他問題呢？歡迎一起交流探討。