集成運(yùn)算放大器的特性及其在音頻放大器中的應(yīng)用_六_高速運(yùn)算放大器OPA627_圖文

1、TI公司生產(chǎn)的OPA627運(yùn)算放大器具有精度高、音質(zhì)好的優(yōu)點(diǎn),被公認(rèn)為是一種高級(jí)的運(yùn)算放大器。本文將對(duì)它的相關(guān)情況進(jìn)行較為詳細(xì)地介紹。一、OPA627的優(yōu)點(diǎn)它是TI公司生產(chǎn)的高速運(yùn)算放大器家族中的一種,除此之外還有OPA637。在TI數(shù)據(jù)手冊(cè)的標(biāo)題中將此類(lèi)運(yùn)算放大器稱(chēng)之為“Precision Highspeed Difet Operational Amp”,表明此類(lèi)運(yùn)算放大器并不是專(zhuān)門(mén)為音頻應(yīng)用度身定制的產(chǎn)品。但是OPA627所具有的高速、低噪聲、低THD特性,在處理包含音頻信號(hào)在內(nèi)的模擬信號(hào)時(shí),可以發(fā)揮其卓越的實(shí)力。TI(Texas Instruments,上市銷(xiāo)售時(shí)的商標(biāo)是BB商標(biāo)的高速運(yùn)

2、算放大器系列的產(chǎn)品采用了該公司獨(dú)有的高精度制造工藝技術(shù)(申請(qǐng)了專(zhuān)利保護(hù)的Difet工藝,這類(lèi)產(chǎn)品具有兼顧高速響應(yīng)特性和低噪聲特性的特點(diǎn)。Difet工藝是一種被稱(chēng)之為“Dielectrically Isolated FET”的半導(dǎo)體制造工藝,其結(jié)構(gòu)是在半導(dǎo)體的硅片上用硅的Die將FET進(jìn)行分離(隔離。采用這種工藝制造的集成電路電流的泄漏和電路間的相互干擾都做到了最小化。與簡(jiǎn)單的C-MOS工藝或者雙極型工藝相比,Difet工藝的加工過(guò)程要稍稍復(fù)雜一些,因此這類(lèi)運(yùn)算放大器的價(jià)格也要高一些,但應(yīng)該說(shuō)是物有所值。二、OPA627/637系列的概要OPA627和637在頻率特性方面有所不同,OPA627在

3、單位增益時(shí)能穩(wěn)定地工作,增益帶寬積為16MHz。而OPA637的增益必須大于等于4時(shí)才能穩(wěn)定地工作,增益帶寬積為80MHz。在其型號(hào)中,根據(jù)失調(diào)電壓/偏置電流的最大值分為A和B兩類(lèi),根據(jù)外殼封裝的形狀分為P、U、M三類(lèi),根據(jù)工作溫度范圍分為A、B、S等幾類(lèi)。用這些英文字母作為運(yùn)算放大器型號(hào)的后綴表示它們之間的區(qū)別。表1列出了OPA627家族中各種型號(hào)以及對(duì)應(yīng)的封裝形狀和工作溫度范圍。在音頻應(yīng)用時(shí),一般可選用OPA627AP(8腳塑料DIP 封裝和OPA627AU(8腳塑料SOIC封裝這兩種。圖1是DIP和SOIC封裝的OPA627的引腳連接圖。三、OPA627的直流特性1.失調(diào)電壓就失調(diào)電壓而

4、言,A類(lèi)和B類(lèi)在標(biāo)準(zhǔn)值和最大值方面都有所不同,分別作了如下的規(guī)定。A類(lèi):280Vtyp,500VmaxB類(lèi):100Vtyp,250Vmax在一般的音頻應(yīng)用時(shí),即使是選用A類(lèi),其失調(diào)電壓電平也已足夠了。即使是在要求失調(diào)電壓特別小的應(yīng)用場(chǎng)合,OPA627設(shè)置有失調(diào)電壓的調(diào)整端口,所以可以通過(guò)在運(yùn)算放大器外部連接電位器對(duì)失調(diào)電壓進(jìn)行簡(jiǎn)單地調(diào)整,所以選用A類(lèi)產(chǎn)品也能滿(mǎn)足要求。2.偏置電路A、B兩類(lèi)OPA627運(yùn)算放大器的偏置電流的標(biāo)準(zhǔn)值和最大值也有所不同,數(shù)據(jù)手冊(cè)中分別作了如下的規(guī)定。A類(lèi):2pAtyp,10pAmaxB類(lèi):1pAtyp,5pAmax注:1pA=1×10-12A。OPA627

5、的輸入端由于是采用Difet工藝的FET輸入電路,所以偏置電流的值極小。很顯然,這么小的偏置電流對(duì)于一般的音頻應(yīng)用來(lái)說(shuō)完全不存在任何問(wèn)題,完全可以放心地使用。集成運(yùn)算放大器的特性及其在音頻放大器中的應(yīng)用(六高速運(yùn)算放大器OPA627張達(dá)圖1OPA627的引腳連接圖技術(shù)縱橫 四、OPA627的噪聲特性表2是從OPA627的數(shù)據(jù)手冊(cè)中摘錄出來(lái)的噪聲特性。1kHz 時(shí)的噪聲頻譜密度分別規(guī)定為:A 類(lèi):5.6nV/HztypB 類(lèi):5.2nV/Hztyp ,8.2nV/Hzmax把A 類(lèi)的5.6nV/Hz 按20kHz 和100kHz 的帶寬,換算成對(duì)應(yīng)的噪聲有效值和以2Vrms 信號(hào)為基準(zhǔn)的信噪比時(shí)

6、,可以得到下面的結(jié)果。 20kHz 帶寬5.6×20×103=792nVrms SNR=20log (2×109/792=128dB 100kHz 帶寬5.6×100×103=1.771Vrms SNR=20log (2×106/1.771=121dB這樣的噪聲特性除了要求超低噪聲的某些音頻應(yīng)用場(chǎng)合之外,在大多數(shù)音頻應(yīng)用場(chǎng)合都不存在任何問(wèn)題。與前幾期曾介紹過(guò)的AD797和5532/5534型運(yùn)算放大器相比較,噪聲頻譜密度的規(guī)定值要稍稍大一些,但在其他特性方面,OPA627又要優(yōu)于AD797和5532/5534,所以在實(shí)際應(yīng)用時(shí),可以根

7、據(jù)音頻應(yīng)用的具有要求有針對(duì)性的選擇運(yùn)算放大器,充分發(fā)揮運(yùn)算放大器的長(zhǎng)處。五、OPA627的動(dòng)態(tài)特性O(shè)PA627突出的優(yōu)點(diǎn)之一是擁有卓越的動(dòng)態(tài)特性。表3是在其數(shù)據(jù)手冊(cè)中有關(guān)動(dòng)態(tài)特性的部分。1.增益帶寬積在數(shù)據(jù)手冊(cè)中,規(guī)定OPA627在增益G=1時(shí)的增益帶寬積為16MHztyp 。圖2(a 所示的是OPA627的開(kāi)環(huán)增益特性。由圖中的曲線(xiàn)可知,即使信號(hào)的頻率為100kHz 也具有43dB 左右的增益,說(shuō)明OPA627具有增益帶寬積大的特點(diǎn)。這一點(diǎn)從圖2(b 所示的增益-相位特性也可以得到同相的結(jié)論。在G=1.16MHz 信號(hào)輸入時(shí),由圖中的曲線(xiàn)可知電路的相位裕度在75°以上。2.轉(zhuǎn)換速率

8、OPA627規(guī)定的轉(zhuǎn)換速率為40V/smin 、55V/styp ,由此表明可以用于大振幅、高頻信號(hào)的放大電路。即使是在DAC 輸出電路的應(yīng)用場(chǎng)合,相對(duì)于最高頻率為 表2噪聲特性的各項(xiàng)參數(shù)參數(shù)條件OPA627BM/BP/SMOPA637BM /BP/SM OPA627AM/AP/AU OPA637AM/AP/AU 單位MIN TYP MAX M IN TYP MAX 頻率響應(yīng)變換速率:OPA627G=-1,10V 階躍4055*V/s OPA637G=-4,10V 階躍100135*V/s 建立時(shí)間:OPA6270.01%G=-1,10V 階躍550*Ns 0.1%G=-1,10V 階躍450

9、*ns OPA6370.01%G=-4,10V 階躍450*ns 0.1%G=-4,10階躍300*ns 增益帶寬:OPA6270.01%G=116*MHz OPA6370.1%G=1080*MHz THD+NG=+1,f=1kHz 0.00003*%100kHz2Vrms (約6Vp-p 信號(hào)的最大傾斜V=2100×103×6=3.8V/s 的要求仍擁有足夠多的余量。3.建立時(shí)間建立時(shí)間對(duì)于模擬音頻信號(hào)處理時(shí)的階躍響應(yīng)特性來(lái)說(shuō),是一項(xiàng)最重要的特性。建立時(shí)間是表示收斂于所定的精度(例如規(guī)定為電壓電平的0.1%的全部響應(yīng)時(shí)間。對(duì)于OPA627來(lái)說(shuō),10V 階躍、0.01%精度

10、的建立時(shí)間規(guī)定為550ns 。估計(jì)0.1%的精度的建立時(shí)間在450ns 左右,收斂于16比特精度(0.0015%的建立時(shí)間為1s 。該建立時(shí)間的特性在數(shù)據(jù)手冊(cè)中是用標(biāo)準(zhǔn)特性曲線(xiàn)表示的。圖3是OPA627的建立時(shí)間特性。由圖中的曲線(xiàn)可以得知,0.0015%精度的建立時(shí)間為1.25s 。建立時(shí)間在后述的DAC 輸出電路(I/V 變換電路的設(shè)計(jì)中是一項(xiàng)重要的參數(shù)。4.THD+N 特性THD+N 特性同樣是運(yùn)算放大器的音頻電路應(yīng)用時(shí)的一項(xiàng)重要的特性。OPA627的THD+N 特性的標(biāo)準(zhǔn)值規(guī)定為0.00003%(G=1的極小的值。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),在實(shí)際應(yīng)用時(shí)THD +N 特性很難做到低于,在20kHz 帶寬的

11、條件下能做到0.0003%左右已很不錯(cuò)了。總之,只要THD+N 特性在以下,在實(shí)際應(yīng)用中都不存在問(wèn)題。六、其它特性1.電源特性和輸出電壓表4是數(shù)據(jù)手冊(cè)中提供的電源電壓和輸出電壓的參數(shù)。是按雙電源供電的工作方式設(shè)計(jì)的產(chǎn)品,最低的供電電壓為±4.5V ,在實(shí)際使用時(shí)推薦使用±12±15V 的電源。在負(fù)載阻抗RL=1k 電源電壓為±15V 的條件下輸出電壓將大于±11.5V ,由此可知對(duì)一般的音頻應(yīng)用來(lái)說(shuō)不存在任何問(wèn)題。2.PSSR 特性圖4是OPA627的電源電壓抑制比(PowerSupply Rejection Ratio:PSSR 的標(biāo)準(zhǔn)特性曲

12、線(xiàn)。電源電壓抑制比是表示電路對(duì)輸出信號(hào)中,電源所包含的脈動(dòng)和噪聲等有害成分的抑制程度。由特性曲線(xiàn)可以看出,OPA627在接近直流的低頻區(qū)域具有非常高的抑制比,但在頻率較高的區(qū)域抑制比將隨頻率的升高而逐漸下降。由此可知,在實(shí)際的電路中,為了提高高頻區(qū)域的抑制比,電源濾波電容器的作用是很重要的。七、OPA627的電路特性技術(shù)縱橫 次級(jí)是用電流密勒電路構(gòu)成驅(qū)動(dòng)級(jí),驅(qū)動(dòng)級(jí)之后是輸出電路。在電流密勒電路中,還通過(guò)局部負(fù)反饋電路進(jìn)行相位補(bǔ)償,這種電路結(jié)構(gòu)在其他的運(yùn)算放大器中也常被采用。為了實(shí)現(xiàn)低失調(diào)特性,在制造時(shí)采用了高穩(wěn)定性的薄膜電阻外加激光微調(diào)的方法。這一微調(diào)過(guò)程是在晶片處于通電的狀態(tài)下進(jìn)行的,通過(guò)用

13、激光對(duì)電阻的微調(diào)將運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓調(diào)整到手冊(cè)中規(guī)定的精度內(nèi)。八、OPA627應(yīng)用電路-1圖6是一般的多比特型DAC的結(jié)構(gòu)方框圖和各點(diǎn)的工作速率。作為I/V變換用的運(yùn)算放大器,除了要求THD+N小之外,動(dòng)態(tài)特性也非常重要。也就是說(shuō)應(yīng)該選用音頻特性和動(dòng)態(tài)特性均優(yōu)的運(yùn)算放大器來(lái)?yè)?dān)任。眾所周知,多比特DAC的第一級(jí)電路由8倍超取樣電路和數(shù)參數(shù)條件OPA627BM/BP/SMOPA637BM/BP/SMOPA627AM/AP/AUOPA637AM/AP/AU單位M IN TYP M AX M IN TYP MAX供電電壓推薦工作電壓±15*V工作電壓范圍±4.5±18*

14、V電流±7±7.5*mA輸出輸出電壓R L=1k±11.5±12.3*V(推薦工作溫度上的場(chǎng)合±11±11.5*V輸出電流V O-±10V±45*mA短路電路電流±35+70/-5±100*mA輸出阻抗(開(kāi)環(huán)1M Hz55*表4電源電壓和輸出電壓特性C F=2R o C LR FR F>>R of-3dB=12R F R o C F C L姨技術(shù)縱橫字濾波器組合而成,將輸入信號(hào)的取樣速率fs(基準(zhǔn)取樣速率乘以8后以8fs的頻率送往后接的DAC電路。因此當(dāng)輸入信號(hào)的基準(zhǔn)取樣速率為48k

15、Hz或96kHz時(shí),送往DAC電路的信號(hào)取樣速度分別被提升為384kHz或768kHz,此時(shí)取樣周期分別為T(mén)=1/384kHz=2.604s、T=1/768kHz=1.302s,也就是說(shuō),DAC輸出的模擬信號(hào)是以上式的變換速率連續(xù)進(jìn)行變換的,所以這種變換速率能滿(mǎn)足電路在很高的頻率下工作。前述的建立時(shí)間特性在這里是一項(xiàng)重要的參數(shù)。如圖2的特性曲線(xiàn)所示的那樣,0.0015%精度的建立時(shí)間約為1.25s。對(duì)于其他運(yùn)算放大器來(lái)說(shuō),有的在數(shù)據(jù)手冊(cè)中沒(méi)有規(guī)定建立時(shí)間,有的雖然規(guī)定有建立時(shí)間但滿(mǎn)足不了要求,在選擇運(yùn)算放大器時(shí),必須充分注意建立時(shí)間是否能滿(mǎn)足電路的要求這一問(wèn)題。圖7是在PCM1704的評(píng)價(jià)電路

16、板中用OPA627組成I/V變換電路的電路圖。在圖7的電路中與負(fù)反饋電阻R102并聯(lián)的電容器C116是用于對(duì)響應(yīng)特性進(jìn)行補(bǔ)償?shù)碾娙萜?。從補(bǔ)償?shù)慕嵌葋?lái)看,該電容器的容量應(yīng)在22100F之間選取,但當(dāng)I/V變換部分同時(shí)具有1階低通濾波器功能的場(chǎng)合,該電容器的容量可以用得更大一些。在設(shè)計(jì)印刷電路板時(shí),應(yīng)該注意電源濾波電容器要盡量設(shè)置在靠近運(yùn)算放大器引腳的地方,并注意地線(xiàn)的布線(xiàn)方式。當(dāng)用OPA627與PCM1704等多比特型DAC集成電路組成D/A變換電路時(shí),用簡(jiǎn)單的電路形式(DAC、I/V變換、二階LPF就可以獲得120dB左右的信噪比。但是,最新的PCM1792A等DAC集成電路的噪聲要比OPA更

17、小,在組成D/A變換電路時(shí),總的信噪比會(huì)受到OPA627的限制。PCM1792A評(píng)價(jià)電路板輸出信號(hào)的信噪比實(shí)測(cè)值為124125dB(20kHz帶寬、A-Weighted、離DAC信成電路規(guī)定的127dB有23dB的差距。要想補(bǔ)償這數(shù)dB噪聲特性的劣勢(shì)只能依靠動(dòng)態(tài)特性。九、OPA627應(yīng)用電路-2OPA627是一塊具有響應(yīng)速度快的運(yùn)算放大器,一般來(lái)說(shuō)不適合用于線(xiàn)路輸出級(jí)等要求具有驅(qū)動(dòng)能力的應(yīng)用場(chǎng)合。在考慮到OPA627具有音質(zhì)好的特點(diǎn)時(shí),也會(huì)在一般的民用設(shè)備的線(xiàn)路輸出電路(負(fù)載阻抗在數(shù)k以上中構(gòu)成緩沖器用。但是即使是OPA627的相位裕度較大為75°,在負(fù)載為容性時(shí)其使用仍會(huì)受到限制。圖8是負(fù)載為容性時(shí)用OPA627組成緩沖放大器的電路舉例。在圖8的電路中,與負(fù)反饋電阻并聯(lián)連接的補(bǔ)償電容器的容量與圖3的建立時(shí)間特性中所示的容量不同。在圖8的電路中把建立時(shí)間的變化控制到最小限度,在后接C L=5000pF的容性負(fù)載的情況下電路也能穩(wěn)定地工作。電路的增益G=1+R