在低电压下使用通用运算放大器必须掌握的技巧

作者:Ron Michallick  德州仪器

您不仅需要设计一款低电源电压的基本运算放大器电路,而且还需要使用高电压、低成本运算放大器来节省成本。这行吗?我会教您如何辨别。

我首先以 LM324 器件为实例,因为该器件价格不贵(很普遍),而且工作电压低至 3V。LM2902 支持 -40C 的工作温度,我将使用该器件作为一种个人设计挑战,因为低温下的二极管压降最大。因此,温度是为输入输出电压范围引起最多问题的因素。

1 步:针对 VCC 检查有效输入输出电压范围。

LM2902 没有 3V 参数,因此我使用图 1 中的 5V 参数。

1:TI LM2902 5V 参数

输入共模覆盖 5V 及更高电压,但对于 3V 而言,我只能靠自己了。电子技术规则在 3V 下仍然适用,因此我可使用“满量程”VICR 公式 0 至 Vcc-2V 得到 0V 至 1V 的输入范围。

25C 下的 VOH 相当简单,VCC-1.5V 为 1.5V,但整个温度范围规范是 23V,这对于 LM2902 来说是 VCC-3V。在 VCC=3V 时其可降低至 0V……,显然无法使用!我通过查看产品说明书原理图,看到了两个 VBE 压降。假设温度系数为 -2mV/C,-40C VOH 则降低 260mV (2*(-40C-25C)*-2mV/C)。为获得少量设计裕度,我将其定为 300mV。我的最新 VOH 现在是 1.2V (VCC-1.5V-0.3V)。

VOL 对于所有温度而言一般是 0V,但有个问题,这只适合端接至接地的负载。对于需要输出吸收电流的负载而言,那就不同了。为此,我将参考 LM2904-N 产品说明书中的吸收电流图(图 2)。它同样适用于 LM2904

2:LM2904 的电流吸收

适中电流的 VOL 低于 0.8V,但这依然是 25C 的数据及典型图表。回顾一下产品说明书原理图,该性能说得通。这次对于更高电流驱动器而言,我只看到了 1VBE。假设温度系数是 -2mV/C,-40C VOL 增加 130mV ((-40C-25C)*-2mV/C)。为得到一定设计裕度,我将其定为 200mV。我的最新 VOL 是 1.0V (0.8V+0.2V)。

2 步:查看电压范围结果,看能否通过它们实现任意设计

输入范围是 0V 至 1V — 这很有难度,但我能做到。
输出范围是 1.0V 至 1.2V — 这非常难,我做不到。

3 步:要有创造性。

好消息是,如果输出吸收的电流没必要大于几微安,那么输出范围就可以是 0V 至 1.2V。此外,输出电压范围还可通过在输出引脚上使用上拉或下拉电阻器增加。

下拉电阻器对 VOL 的实效只需通过计算所驱动的负载便可确定,但一定要将反馈网络作为负载包含在内。LM2904 不会对 VOL 的电阻器产生反作用。

上拉电阻器对 VOH 的实效可通过计算所驱动的负载确定。但是,LM2904 中的低电流吸收(一般是 30uA) 要计入上拉电阻器所应提供的电流中。

因此,LM2902 和其它高电压低成本运算放大器可在指定最小电源电压下使用。但负载电流、负载电流极性、输入电压和输出电压都必须经过精心计算,才能避免设计误差。

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资源:

 

原文请参见: 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

 

  • 文章的作者给出了关于低电压下使用通用运算放大器必须掌握的技巧的一些注意事项,提供了一个思路,告诉设计者如何使用运算放大器,有一定的推荐,可以学习一下。

  • 很好的博文,多谢博主分享。设计低电源电压的基本运算放大电路,讲解清晰易懂,考虑逐步深入,解决问题的好方法。

  • 对于运放,尤其是低电压工作的时候,要相当的注意其负载电压,负载电流以及信号处理后的失真程度及频率响应,带宽之类的参数,当初我们做手持式心率采集系统的时候,就遇到了这些问题,试了好几次,结果都不太理想,最后拿电路仿真软件慢慢的仿真,经过几轮调试,最后才将其做好,这篇博文很有借鉴性,能让其他学习者少走弯路,写得很不错!

  • 好文章,首先赞一下。现在很多嵌入式产品都是工作在5V甚至3.3V的电压,在这么底的电源电压下工作,运放的线性范围很窄,而且非常容易出问题,所以如果在低压下更好的运用运放,本文提出了几个比较好的注意点。在这里我要补充一点,就是如果条件允许,可以使用轨到轨运放,比如TI的OPA350等。

  • 文章很精彩!它提供了一个在低电压下面应用运放的经典实例,为我们以后设计运放提供了技术参考。“负载电流、负载电流极性、输入电压和输出电压都必须经过精心计算,才能避免设计误差。”这个建议太好了,以后会注意这些。平时,在低电压下,特别是3.3V单电源供电下,我一般会考虑轨到轨的运放,比如TI的LMC系列LMC6484等,文章的建议让我在设计运放时,有了更多的选择。