特征

●低電源電流：4μA/放大器最大值

●單電源操作：2.7 V至12 V

●寬輸入電壓范圍

●軌間輸出擺動

●低偏移電壓：1.5 mV

●無相位反轉

應用

●比較器

●電池供電儀表

●安全監測

●遙感器

●低壓應變片放大器

一般說明

OP281和OP481是雙和四個超低功耗單電源放大器，具有軌對軌輸出。每個電源的供電電壓低至2.0 V，并指定為+3 V和+5 V單電源以及±5 V雙電源。

OP281/OP481采用模擬器件的CBCMOS工藝制造，具有精確的雙極輸入和一個在電源毫伏范圍內擺動的輸出，持續地吸收或源電流到與電源電壓相等的電壓。

這些放大器的應用包括安全監控、便攜式設備、電池和電源控制、信號調節和極低功率系統中傳感器的接口。

當輸出被驅動到一個電源電壓時，輸出能夠在軌道之間擺動，并且不會增加電源電流，這使得OP281/OP481可以用作非常低功率系統中的比較器。這是由于他們的快速飽和恢復時間。傳播延遲為250μs。

OP281/OP481在擴展的工業溫度范圍（−40°C至+85°C）范圍內指定。OP281雙放大器有8線SOIC表面安裝和TSSOP封裝。OP481四路放大器提供窄14線SOIC和TSSOP封裝。

引腳配置

典型性能特征

應用

操作理論

OPx81系列運算放大器由極低功率、軌對軌輸出放大器組成，所需電流小于4μA每個放大器的靜態電流。許多其他競爭對手的設備可能被宣傳為低電源電流放大器，但當這些設備的輸出被驅動到供電軌時，會吸引更多的電流。即使輸出被驅動至任一供電軌，OPx81的供電電流仍保持在4μA以下。只要輸入和輸出保持在電源范圍內，電源電流應符合規范要求。

圖36顯示了OPx81單通道的簡化示意圖。輸入級采用雙極差分對。PNP晶體管用于使輸入級保持線性，共模范圍延伸至地面。這是單電源應用的重要考慮因素。雙極前端的噪聲也比只有毫安的MOS前端低。運算放大器的輸出由一對共源結構的CMOS晶體管組成。此設置允許放大器的輸出在任一供電軌的毫伏范圍內擺動。輸出級所需的凈空高度受負載驅動的電流量的限制。輸出電流越低，輸出到任一供電軌的距離就越近。圖11、圖12和圖13顯示了輸出電壓凈空與負載電流的關系。這種行為是典型的軌對軌輸出放大器。

輸入過壓保護

OPx81系列運算放大器的輸入級由PNP差分對組成。如果這些輸入晶體管的基極電壓下降到低于負電源的0.6伏以上，輸入ESD保護二極管將變為正向偏置，并開始產生大電流。除了可能損壞設備外，這還會在輸出端產生相位反轉效應。為防止這種情況發生，輸入電流應限制在0.5毫安以下。

這可以通過簡單地將一個電阻與設備的輸入串聯來實現。電阻器的尺寸應與最低可能的輸入信號偏移成比例，并可使用以下公式進行計算：

式中：

VEE是放大器的負電源。

VIN，MIN是預期的最低輸入電壓偏移。

例如，如果輸入信號可能低至−1 V，則OPx81的單通道應與+5 V的單電源電壓一起使用。因為放大器由單個電源供電，所以VEE是接地；因此，必要的串聯電阻應為2 kΩ。

輸入偏移電壓

OPx81系列運算放大器設計用于低偏移電壓（小于1mV）。

輸入共模電壓范圍

在額定電壓X8至1之間的電壓范圍內，OPV為1。然而，運算放大器可以在共模電壓略低于VEE的情況下工作。圖37顯示了配置為差分放大器的單個OPx81通道，單電源電壓為3 V。在兩個輸入端子上施加負直流電壓，從而產生小于接地的共模電壓。然后將400 mV p-p輸入信號應用于非轉換輸入。圖38顯示了產生的輸入和輸出波形。請注意放大器的輸出如何在不失真的情況下輕微下降為負。

電容性負載

大多數低電源電流放大器很難驅動電容性負載，因為這些負載的輸出級需要更高的電流。輸出端的高電容會增加放大器階躍響應中的過沖和振鈴，并可能影響器件的穩定性。然而，通過精心設計輸出級及其高相位裕度，OPx81系列可以承受一定程度的電容負載。圖39顯示了在輸出端連接10 nF電容器的單通道階躍響應。注意，在這樣的負載下，輸出的超調量不會超過10%，即使電源電壓只有3V。

微功率基準電壓發生器

許多單電源電路配置的電路偏置為電源電壓的一半。在這些情況下，可以通過使用由放大器緩沖的分壓器來創建假接地基準。圖40顯示了這種電路的示意圖。

兩個1 MΩ電阻器產生參考電壓，同時只從3 V電源中吸取1.5μA的電流。從逆變端連接到運算放大器輸出端的電容器提供補償，以允許旁路電容器連接在基準輸出端。這個旁路電容器有助于為參考輸出建立交流接地。整個參考發電機從3V電源中吸取的電流小于5μA。

窗口比較器

OPx81系列極低的電源電流要求使其非常適合于使用壽命長的電池供電的應用，如監控系統。圖41顯示了一個使用OP281作為窗口比較器的電路。

窗口的閾值限制由VH和VL設置，前提是VH>VL。只要輸入電壓小于VH，第一個OP281（A1）的輸出將保持在負軌，在這種情況下是接地。同樣，只要輸入電壓高于VL，第二OP281（A2）的輸出將保持在地上。只要VIN保持在VL和VH之間，兩個運算放大器的輸出都將為0 V。在D1或D2中沒有電流流動的情況下，Q1的基極將保持在地上，使晶體管處于切斷狀態，并迫使VOUT進入正電源軌。如果輸入電壓上升到VH以上，A2的輸出保持在地上，但A1的輸出到正軌，D1傳導電流。這就產生了一個基極電壓，開啟Q1并使VOUT變低。如果VIN低于VL，A2的輸出變高，D2的傳導電流也會出現同樣的情況。因此，如果輸入電壓在VL和VH之間，VOUT是高的，但是如果輸入電壓超出這個范圍，VOUT就低。

R1和R2分壓器設置車窗上部電壓，R3和R4分壓器設置車窗下部電壓。為了使窗口比較器正常工作，VH必須比VL的電壓大。

2 kΩ電阻器將輸入端子的輸入電壓連接至運算放大器。這可以保護OP281，使其不受流入器件輸入級的過電流的影響。D1和D2是小信號開關二極管（1N4446或等效器件），Q1是2N2222或等效NPN晶體管。

低壓側電流監測器

在電源控制電路的設計中，大量的設計工作都集中在確保通流晶體管在廣泛的負載電流條件下的長期可靠性。因此，在這些設計中，監控和限制設備功耗是最重要的。圖42顯示了一個5V單電源電流監測器的示例，該監測器可并入具有折疊電流限制的電壓調節器或具有撬桿保護的大電流電源的設計中。該設計利用OPx81的共模范圍延伸到地面。在電源回路中監測電流，其中0.1Ω并聯電阻RSENSE產生非常小的電壓降。通過Q1的反饋，逆變端的電壓與非逆變端的電壓相等，Q1是2N2222或等效的NPN晶體管。這使得R1上的電壓降等于RSENSE上的電壓降。因此，通過Q1的電流與通過RSENSE的電流成正比，并且輸出電壓由下式給出：

R2上的電壓降隨著I的增加而增加；因此，如果檢測到更高的電源電流，VOUT就會降低。對于所示的元件值，VOUT傳輸特性為−2.5 V/A，從VEE開始減小。

低壓半波和全波整流器

由于其快速過驅動恢復時間，OP281可配置為低頻（<500hz）應用的全波整流器。圖43顯示了示意圖。

放大器A1用作電壓跟隨器，僅當輸入電壓大于0 V時才跟蹤該電壓。這為放大器A2的非換向端子提供輸入信號的半波整流。當A1的輸出跟隨輸入時，A2的逆變端子也跟隨A2的逆變和非逆變端子之間的虛擬地的輸入。由于R1之間沒有電位差，因此沒有電流流過R1或R2；因此，A2的輸出也跟隨輸入。當輸入電壓低于0 V時，A2的非倒相端變為0 V。這使得A2作為增益為1的逆變放大器工作，并提供輸入信號的全波整流版本。當輸入信號小于接地時，一個2kΩ電阻器與A1的非換向輸入串聯在一起保護裝置。

電池供電的電話耳機放大器

圖45顯示了如何將OP281用作電話耳機中的雙向放大器。OP281的一端可以用作麥克風的放大器，另一端可以用來驅動揚聲器。一個典型的電話耳機使用一個600Ω的揚聲器和一個需要電源電壓和一個偏壓電阻器的駐極體麥克風。

OP281-A運算放大器為來自麥克風的音頻信號提供大約29分貝的增益。增益由300 kΩ和11 kΩ電阻器設置。放大器的增益帶寬積為95 kHz，在設置增益為28的情況下，在3.4 kHz時產生−3 dB的衰減。這是可以接受的，因為電話音頻的頻帶限制為300 kHz至3 kHz信號。如果麥克風需要更高的增益，則應使用額外的增益級，因為增加OP281的增益會限制音頻帶寬。一個2.2kΩ的電阻用來偏置駐極體麥克風。此電阻值可能因麥克風規格而異。麥克風的輸出是交流耦合到運算放大器的非轉換終端。兩個1 MΩ電阻器用于為單電源供電提供直流偏移。

OP281-B放大器（見圖45）可為耳機揚聲器提供高達15分貝的增益。輸入的音頻信號與用于調節音量的10kΩ電位計進行交流耦合。同樣，兩個1 MΩ電阻器為直流偏移提供1μF電容器，為音量控制電位計建立交流接地。因為OP281是一個軌對軌輸出放大器，它很難直接驅動600Ω揚聲器。這里，AB類緩沖器用于隔離放大器的負載，并提供驅動揚聲器所需的電流。通過在運算放大器的反饋回路中放置緩沖器，可以使交叉失真最小化。Q1和Q2的betas最小值應為100。600Ω揚聲器與發射器交流耦合，以防止靜態電流流入揚聲器。1μF耦合電容器在附加600Ω負載的情況下，在265 Hz時切斷等效高通濾波器。同樣，這不會造成問題，因為它超出了電話音頻信號的頻率范圍。

圖45中的電路消耗大約250μA的電流。AB類緩沖器的靜態電流為140μa，大約100μa的電流由麥克風自身消耗。CR20323V鋰電池的預期壽命為160mA小時，這意味著該電路在單塊電池上可以連續運行640小時。

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