OP179/OP279運算放大器：單電源設(shè)計的理想選擇

在電子設(shè)計領(lǐng)域，運算放大器是一個關(guān)鍵組件，它的性能直接影響到整個電路的表現(xiàn)。今天，我們來詳細探討一下Analog Devices公司的OP179/OP279運算放大器，看看它在單電源設(shè)計中能為我們帶來哪些驚喜。

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一、OP179/OP279簡介

OP179/OP279是一款專為多媒體和電信市場設(shè)計的單電源運算放大器，具有軌到軌輸入/輸出、高輸出電流驅(qū)動能力等特點，適用于低電壓應(yīng)用場景，能滿足電流或容性負載驅(qū)動的需求。

（一）關(guān)鍵特性

1. 軌到軌輸入輸出：允許輸入和輸出信號接近電源軌，大大提高了信號的動態(tài)范圍。
2. 高輸出電流：能提供高達60mA的輸出電流，可直接驅(qū)動多種負載。
3. 寬電源電壓范圍：支持5V到12V的單電源供電，適應(yīng)不同的應(yīng)用場景。
4. 寬帶寬：帶寬可達5MHz，能滿足音頻等應(yīng)用的需求。
5. 低失真：失真率低至0.01%，確保信號的高質(zhì)量傳輸。
6. 高轉(zhuǎn)換速率：轉(zhuǎn)換速率為3V/μs，能快速響應(yīng)輸入信號的變化。
7. 容性負載驅(qū)動能力：可穩(wěn)定驅(qū)動高達10nF的容性負載。
8. 其他特性：具備單位增益穩(wěn)定性、無相位反轉(zhuǎn)、短路保護等功能。

（二）應(yīng)用領(lǐng)域

多媒體、電信、DAA、變壓器驅(qū)動、LCD驅(qū)動、低壓伺服控制、調(diào)制解調(diào)器、FET驅(qū)動等。

二、技術(shù)規(guī)格詳解

（一）電源電壓與性能

OP179/OP279在不同電源電壓下有不同的性能表現(xiàn)。在5V單電源供電（VS = 5.0V）時，它能在較寬的溫度范圍（ - 40°C ≤ TA ≤ +85°C）內(nèi)保持穩(wěn)定的性能，如輸入失調(diào)電壓、輸入偏置電流等參數(shù)都有較好的控制。當采用±5.0V雙電源供電時，在相同溫度范圍內(nèi)，其在一些指標上也有特定的表現(xiàn)，像輸出電壓高低等方面會有所變化。

（二）輸入特性

1. 輸入失調(diào)電壓：OP179的典型值為±5mV，OP279為±4mV。這個參數(shù)反映了運算放大器在輸入為零時輸出不為零的誤差程度，數(shù)值越小，說明放大器的精度越高。
2. 輸入偏置電流：在V OUT = 2.5V、TA = 25°C條件下，典型值為±300nA。輸入偏置電流會影響放大器對輸入信號的處理，在設(shè)計中需要考慮其對電路的影響。
3. 輸入失調(diào)電流：不同條件下有不同的數(shù)值范圍，如在某些條件下為±700nA、±50nA、±100nA等。輸入失調(diào)電流是輸入偏置電流的差值，它也會對放大器的性能產(chǎn)生影響。
4. 輸入電壓范圍和共模抑制比：輸入電壓范圍為0V到5V，共模抑制比典型值為66dB。共模抑制比衡量了放大器對共模信號的抑制能力，數(shù)值越高，說明放大器對共模干擾的抵抗能力越強。

（三）輸出特性

1. 輸出電壓高低：在不同負載電流和溫度條件下，輸出電壓高可達+4.8V，輸出電壓低有不同的數(shù)值，如±40mV、±50mV等。這些參數(shù)反映了放大器在不同負載下的輸出能力。
2. 短路限制：短路限制電流為75mA或100mA等，這一特性可以保護放大器在短路情況下不被損壞。
3. 輸出阻抗：在f = 1MHz、AV = 1條件下，輸出阻抗典型值為22Ω。輸出阻抗會影響放大器對負載的驅(qū)動能力，數(shù)值越小，驅(qū)動能力越強。

（四）動態(tài)性能

1. 轉(zhuǎn)換速率：典型值為3V/μs，轉(zhuǎn)換速率決定了放大器對快速變化信號的響應(yīng)能力，對于處理高頻信號非常重要。
2. 增益帶寬積：帶寬典型值為5MHz，增益帶寬積是衡量放大器在不同頻率下放大能力的重要指標。
3. 相位裕度：相位裕度是保證放大器穩(wěn)定工作的重要參數(shù)，OP179/OP279具有較好的相位裕度。
4. 容性負載驅(qū)動：可穩(wěn)定驅(qū)動高達10nF的容性負載，但容性負載會對帶寬產(chǎn)生一定影響，需要注意。

（五）音頻性能

在音頻應(yīng)用中，OP179/OP279表現(xiàn)出色。在5V系統(tǒng)中使用時，總諧波失真（THD）低于0.01%（600Ω負載），噪聲密度為21nV/√Hz，能提供高質(zhì)量的音頻信號。

三、工作原理分析

（一）輸入級電路

OP179/OP279的輸入級由兩個PNP差分對（Q5 - Q6和Q7 - Q8）并聯(lián)組成，并配有二極管保護網(wǎng)絡(luò)。這種設(shè)計可以根據(jù)輸入共模電壓的變化來調(diào)整增益，從而實現(xiàn)軌到軌輸入。當輸入共模電壓處于電源中間時，Q5 - Q6對控制差分信號路徑增益；當輸入共模電壓接近負電源時，Q5 - Q6仍保持活躍提供增益；當輸入共模電壓接近正電源時，Q7 - Q8對開始工作。同時，輸入偏置電流在不同共模電壓范圍內(nèi)有不同的表現(xiàn)，為了保證最佳的直流和交流性能，連接到輸入的有效源阻抗必須保持平衡。

（二）輸出級電路

為了實現(xiàn)軌到軌輸出，OP179/OP279采用了互補共發(fā)射極（或g m RL）輸出級（Q15 - Q16）。這種輸出級在接近電源軌約50mV時才會進入飽和狀態(tài)，從而限制了最大輸出電壓擺幅。同時，輸出級還具有電壓增益，且該增益與輸出端的總負載電阻密切相關(guān)。

（三）輸入過壓保護

當輸入電壓超過電源電壓時，OP179/OP279內(nèi)部的pn結(jié)會導(dǎo)通，允許電流從輸入流向電源。由于內(nèi)部沒有限流電阻，故障電流可能會迅速上升到危險水平。因此，當輸入電壓超過電源0.6V以上時，應(yīng)添加外部串聯(lián)電阻來限制電流，電阻大小可通過最大過電壓除以5mA來計算。為了確保最佳性能，還需要平衡源阻抗水平。

（四）輸出相位反轉(zhuǎn)

OP179/OP279在合理的輸入電壓范圍內(nèi)不會出現(xiàn)輸出相位反轉(zhuǎn)的情況，但當輸入電壓可能超過電源電壓時，輸入保護二極管會有大電流流過，因此需要采用輸入過壓保護措施。

（五）容性負載驅(qū)動

OP179/OP279具有出色的容性負載驅(qū)動能力，可直接驅(qū)動高達10nF的容性負載。然而，容性負載會導(dǎo)致帶寬下降，當負載大于3nF時，帶寬會降至1MHz以下。為了減少過沖，可以使用“緩沖”網(wǎng)絡(luò)（由串聯(lián)的R - C網(wǎng)絡(luò)組成）進行相位滯后補償。電阻值可從100Ω開始調(diào)整，電容值可從10μF開始調(diào)整，以優(yōu)化小信號瞬態(tài)響應(yīng)。

四、典型應(yīng)用電路

（一）高精度負電壓基準

在數(shù)據(jù)采集應(yīng)用中，常常需要高精度的負電壓基準。通過使用OP179/OP279和有源積分器電路，可以避免使用精密匹配電阻帶來的誤差。該電路中，電壓參考的輸出為積分器提供輸入驅(qū)動，積分器通過調(diào)整輸出建立參考電壓Vout和地之間的正確關(guān)系。通過更換不同的參考IC，可以選擇不同的負輸出電壓。為了加快電路的開關(guān)時間，可將R2減小到50kΩ或更小。同時，需要注意運算放大器在提供負載電流時需要一定的裕量，在選擇負電源時要考慮這一點。

（二）高輸出電流緩沖參考/調(diào)節(jié)器

在許多應(yīng)用中，需要從非穩(wěn)壓輸入源獲得接近其電位的穩(wěn)定電壓輸出，這種“低壓差”參考/調(diào)節(jié)器可通過軌到軌輸出運算放大器實現(xiàn)，OP179/OP279是一個很好的選擇。以從5V系統(tǒng)源產(chǎn)生3.3V或4.5V參考電壓為例，使用REF196（3.3V）或REF194（4.5V）等三端參考，并配備OP179/OP279緩沖器，可提供更高的電流和源/匯負載能力。該電路的低壓差性能由OP179/OP279的一部分（作為跟隨器/緩沖器）提供，能夠在5V到3.3V轉(zhuǎn)換中提供高直流精度，且在負載電流變化時輸出電壓變化小于1mV，相當于輸出阻抗小于0.03Ω。

（三）電話線接口直連方案

圖10所示的5V單電源收發(fā)電話線接口電路，適用于110Ω傳輸系統(tǒng)。放大器A1和A2可將最大可能的信號施加到變壓器上，由于OP179/OP279的高輸出電流驅(qū)動和低壓差電壓特性，在5V單電源下可提供約4.5V p - p的信號。放大器A3作為差分放大器提取接收信號，A4可調(diào)整增益以滿足調(diào)制解調(diào)器的輸入信號要求。該電路采用標準電阻值和OP179/OP279的8引腳SOIC封裝，提供了緊湊且經(jīng)濟的解決方案。

（四）單電源遠程應(yīng)變計信號調(diào)理器

在圖11所示的12V單電源、350Ω應(yīng)變計信號調(diào)理電路中，OP179/OP279發(fā)揮了重要作用。一方面，通過伺服REF43的2.5V輸出在R1上提供20mA的驅(qū)動電流給應(yīng)變計，使應(yīng)變計的微小變化能在AMP04的輸入產(chǎn)生大的差分輸出電壓；另一方面，將OP179/OP279的另一半配置為電源分壓器連接到AMP04的REF端子，以最大化電路的動態(tài)范圍，從而可以測量應(yīng)用中的張力或壓縮力。

（五）單電源平衡線驅(qū)動器

圖12所示的單電源平衡線驅(qū)動器電路，用于專業(yè)音頻和汽車音頻應(yīng)用。在12V單電源下，該電路在600Ω負載上的失真小于0.02%，對于更大的負載，失真性能可提高到小于0.002%。該設(shè)計采用無變壓器的平衡傳輸系統(tǒng)，對噪聲的共模抑制非常重要，且任一輸出可短路到地，適用于不平衡線驅(qū)動器應(yīng)用。電路的增益可根據(jù)需要進行設(shè)置，可方便地配置為同相、反相或差分操作。

（六）單電源耳機放大器

由于OP179/OP279具有高速和大輸出驅(qū)動能力，非常適合作為耳機驅(qū)動器。在圖13所示的單電源立體聲耳機驅(qū)動電路中，通過將放大器輸入偏置到V + /2（即2.5V），可在5V單電源下獲得最大信號擺幅。音頻信號通過10μF電容交流耦合到輸入，輸出通過220μF電容耦合到耳機，同時使用16Ω電阻限制電容放電電流，保護運算放大器的輸出級。在驅(qū)動48Ω負載時，電路在低輸出驅(qū)動水平下THD + N小于0.02%，在高輸出時也能保持THD + N小于1%。

（七）有源濾波器

OP179/OP279可用于多種有源濾波器拓撲，這里介紹兩種常見的結(jié)構(gòu)：Sallen - Key（SK）電壓控制電壓源（VCVS）和多反饋（MFB）濾波器。

1. Sallen - Key濾波器：
   • 高通配置：圖14a所示的2極點高通SK濾波器，在通帶內(nèi)增益為1，信號相位為同相。通過設(shè)置電容C1 = C2，調(diào)整電阻R2/R1的比值“N”來提供濾波器阻尼“α”，可根據(jù)設(shè)計要求選擇標準電容值并計算電阻值。
   • 低通配置：圖14b所示的低通SK濾波器，通過交換R和C元件，使電阻相等，使用C2/C1比值“M”來設(shè)置濾波器“α”。同樣，可根據(jù)設(shè)計要求選擇標準電容值并計算電阻值。為了獲得最佳性能，應(yīng)選擇1%精度、低溫度系數(shù)的金屬膜電阻和1%或2%精度的薄膜電容。在設(shè)計中，可使用較低的電阻值（10kΩ或更低）來減少約翰遜噪聲的影響，但需要考慮電容大小和成本的權(quán)衡。同時，可通過添加反饋補償電阻來減少直流誤差。
2. 多反饋濾波器：
   • 高通配置：圖15所示的2極點高通MFB濾波器，通帶增益可由用戶配置，信號相位為反相。該電路比SK濾波器多一個調(diào)諧組件，通過設(shè)置電容C1 = C3，根據(jù)設(shè)計參數(shù)選擇電阻R1和R2。由于輸入電容C1會使驅(qū)動級看到的負載具有高電抗，可使用約100Ω的小串聯(lián)輸入電阻來緩解這一問題。
   • 低通配置：圖16所示的2極點低通MFB濾波器，通帶增益可在較寬范圍內(nèi)配置，信號相位為反相。通過選擇標準電容C2的值，根據(jù)設(shè)計參數(shù)計算C1和電阻R1 - R3的值。該濾波器的增益由電阻R2和R1設(shè)置，具有靈活準確的增益特性，是MFB濾波器中最實用的類型之一。
   • 帶通配置：圖17所示的2極點帶通MFB濾波器，可提供穩(wěn)定的中等Q值設(shè)計，適用于頻率高達幾千赫茲的應(yīng)用。為了保證可預(yù)測性和穩(wěn)定性，應(yīng)確保OP179/OP279在濾波器中心頻率處的開環(huán)增益超過2Q2。根據(jù)帶通設(shè)計參數(shù)選擇標準電容C1的值，然后計算C2和電阻R1 - R3的值。實際設(shè)計中，應(yīng)將電阻限制在1kΩ到1MΩ范圍內(nèi)，電容值控制在1μF或更小。

（八）雙向揚聲器分頻網(wǎng)絡(luò)

圖18所示的雙向有源分頻網(wǎng)絡(luò)結(jié)合了Sallen - Key和多反饋濾波器的優(yōu)點，采用Linkwitz - Riley類型的濾波器，阻尼因子α為2。在輸出電平為1V rms時，該網(wǎng)絡(luò)的THD + N小于0.01%，低頻信號（dc - 500Hz）用于驅(qū)動低音揚聲器，高頻信號（> 500Hz）用于驅(qū)動高音揚聲器。通過使用直流補償和交流旁路電容，可減少直流偏移誤差和噪聲。該網(wǎng)絡(luò)的輸入為感性負載，應(yīng)從低阻抗源直接耦合驅(qū)動。圖19展示了該濾波器架構(gòu)在5V單電源下的應(yīng)用，可通過頻率縮放電阻或電容來改變分頻頻率。

五、總結(jié)與建議

OP179/OP279運算放大器以其出色的性能和豐富的功能，為電子工程師在單電源設(shè)計中提供了一個強大的工具。在實際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)具體的需求和場景，合理選擇其工作條件和應(yīng)用電路。同時，要注意輸入過壓保護、容性負載驅(qū)動等問題，以確保電路的穩(wěn)定性和可靠性。在使用有源濾波器時，要選擇合適的濾波器拓撲和元件，以獲得最佳的性能。希望通過本文的介紹，能幫助大家更好地了解和使用OP179/OP279運算放大器，在電子設(shè)計中取得更好的成果。大家在使用過程中有什么問題或者經(jīng)驗，歡迎在評論區(qū)分享討論。