低電壓下使用通用運(yùn)算放大器必須掌握的技巧

作者：Ron Michallick 德州儀器

您不僅需要設(shè)計(jì)一款低電源電壓的基本運(yùn)算放大器電路，而且還需要使用高電壓、低成本運(yùn)算放大器來(lái)節(jié)省成本。這行嗎？我會(huì)教您如何辨別。

我首先以 LM324 器件為實(shí)例，因?yàn)樵撈骷r(jià)格不貴（很普遍），而且工作電壓低至 3V。LM2902 支持 -40C 的工作溫度，我將使用該器件作為一種個(gè)人設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，因?yàn)榈蜏叵碌?a target="_blank">二極管壓降最大。因此，溫度是為輸入輸出電壓范圍引起最多問(wèn)題的因素。

第1 步：針對(duì) VCC 檢查有效輸入輸出電壓范圍。

LM2902 沒(méi)有 3V 參數(shù)，因此我使用圖 1 中的 5V 參數(shù)。

圖1：TILM2902的5V 參數(shù)

輸入共模覆蓋 5V 及更高電壓，但對(duì)于 3V 而言，我只能靠自己了。電子技術(shù)規(guī)則在 3V 下仍然適用，因此我可使用“滿量程”VICR 公式 0 至 Vcc-2V 得到 0V 至 1V 的輸入范圍。

25C 下的 VOH 相當(dāng)簡(jiǎn)單，VCC-1.5V 為 1.5V，但整個(gè)溫度范圍規(guī)范是 23V，這對(duì)于 LM2902 來(lái)說(shuō)是 VCC-3V。在 VCC=3V 時(shí)其可降低至 0V……，顯然無(wú)法使用！我通過(guò)查看產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)原理圖，看到了兩個(gè) VBE 壓降。假設(shè)溫度系數(shù)為 -2mV/C，-40C VOH 則降低 260mV (2*(-40C-25C)*-2mV/C)。為獲得少量設(shè)計(jì)裕度，我將其定為 300mV。我的最新 VOH 現(xiàn)在是 1.2V (VCC-1.5V-0.3V)。

VOL 對(duì)于所有溫度而言一般是 0V，但有個(gè)問(wèn)題，這只適合端接至接地的負(fù)載。對(duì)于需要輸出吸收電流的負(fù)載而言，那就不同了。為此，我將參考 LM2904-N 產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中的吸收電流圖（圖 2）。它同樣適用于 LM2904。

圖2：LM2904的電流吸收

適中電流的 VOL 低于 0.8V，但這依然是 25C 的數(shù)據(jù)及典型圖表?；仡櫼幌庐a(chǎn)品說(shuō)明書(shū)原理圖，該性能說(shuō)得通。這次對(duì)于更高電流驅(qū)動(dòng)器而言，我只看到了 1VBE。假設(shè)溫度系數(shù)是 -2mV/C，-40C VOL 增加 130mV ((-40C-25C)*-2mV/C)。為得到一定設(shè)計(jì)裕度，我將其定為 200mV。我的最新 VOL 是 1.0V (0.8V+0.2V)。

第2 步：查看電壓范圍結(jié)果，看能否通過(guò)它們實(shí)現(xiàn)任意設(shè)計(jì)

輸入范圍是 0V 至 1V — 這很有難度，但我能做到。
輸出范圍是 1.0V 至 1.2V — 這非常難，我做不到。

第3 步：要有創(chuàng)造性。

好消息是，如果輸出吸收的電流沒(méi)必要大于幾微安，那么輸出范圍就可以是 0V 至 1.2V。此外，輸出電壓范圍還可通過(guò)在輸出引腳上使用上拉或下拉電阻器增加。

下拉電阻器對(duì) VOL 的實(shí)效只需通過(guò)計(jì)算所驅(qū)動(dòng)的負(fù)載便可確定，但一定要將反饋網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載包含在內(nèi)。LM2904 不會(huì)對(duì) VOL 的電阻器產(chǎn)生反作用。

上拉電阻器對(duì) VOH 的實(shí)效可通過(guò)計(jì)算所驅(qū)動(dòng)的負(fù)載確定。但是，LM2904 中的低電流吸收（一般是 30uA) 要計(jì)入上拉電阻器所應(yīng)提供的電流中。

因此，LM2902 和其它高電壓低成本運(yùn)算放大器可在指定最小電源電壓下使用。但負(fù)載電流、負(fù)載電流極性、輸入電壓和輸出電壓都必須經(jīng)過(guò)精心計(jì)算，才能避免設(shè)計(jì)誤差。

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電壓轉(zhuǎn)換：不會(huì)比這更簡(jiǎn)單；

原文請(qǐng)參見(jiàn): http://e2e.ti.com/blogs_/b/analogwire/archive/2014/03/21/what-you-need-to-know-about-using-general-purpose-op-amps-at-low-voltage.aspx

編輯：jq