6.数据手册解读—运算放大器（二）

     

目录

6、细节描述

6.1预览

6.2功能框图

6.3 特征描述

6.3.1输入保护

6.3.1 EMI抑制

6.3.3 温度保护

6.3.4 容性负载和稳定性

6.3.5 共模电压范围

6.3.6反相保护

6.3.7 电气过载

6.3.8 过载恢复

6.3.9 典型规格与分布

6.3.9 散热焊盘的封装

6.3.11 Shutdown

6.4 Device Functional Modes

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        绝对值参数、ESD、温度特性和引脚定义这些都很简单这里不再赘述了。

6、细节描述

6.1预览

        这里是总览期间的功能，参数特性那里已经描述过了。

6.2功能框图

        与其他运放一样，总共分第三部分。输入级、中间级以及输出级三部分。

        输入级由差模放大器和共模抑制电路构成，主要功效为对输入信号进行差分放大，以降低干扰并提升输入阻抗。

        中间级是集成运放电路的核心部件，由多级直接耦合的放大器组成，主要作用是进行放大及频率补偿。

        输出级由电压比较器、级联放大器和负载驱动器组成，主要作用是将电压信号转换为电流信号并对外输出。

        如下图所示中间级（Gain Stage）和输入级（差分输入）之间的电路部分：

NCH/PCH Input Stage

• 分别为 N沟道 和 P沟道 输入级结构（NMOS/PMOS 差分对）。
• 实现轨到轨输入特性（rail-to-rail input），让运放在输入电压接近供电轨时也能正常工作。
• 运放会根据输入电压范围选择使用哪个输入对。

6.3 特征描述

6.3.1输入保护

        这个地方是一个亮点，传统运放为的保护电路一般并联二极管。但是二极管会对运放的精度产生一定的影响。

        对于低增益电路， 瞬态输入信号对背对背二极管进行正向偏置，这会加快输入电流增加，进而使稳定时间延长。

        TLV916x系列设计了一个特殊输入架构消除二极管对电路的影响。详情见MUX-Friendly Precision Operational Amplifiers。

6.3.1 EMI抑制

        TLV916x系列内部设计了一个EMI滤波器，可减少EMI辐射。TI已经开发出在 10MHz 至 6GHz 扩展宽频谱范围内，准确测量和量化运算放大器抗扰度的功能。 图6-3为TLV916x测试的结果。 表 6-1 列出了在实际应用中 TLV916x 在常见特定频率下的 EMIRR IN+ 值。

6.3.3 温度保护

        TLV916x的最大结温为150度。超过此温度芯片有可能损坏。当芯片超过170度的时候，输出就会关闭。图 6-4 展示了 TLV9162 的应用示例，该器件因为其功耗 (0.627W) 而会显著发热。热能计算表明， 当环境温度为 60°C 时， 器件结温达到 175°C。不过， 实际器件会关闭输出驱动来恢复到安全的结温。在正常工作期间， 器件充当缓冲器， 因此输出为 5V。当结温超过内部限制时，过热保护强制输出进入高阻抗状态， 并通过电阻 RL 将输出拉至接地。如果依旧存在导致过大功耗的状况， 放大器将在关断和启用状态之间振荡， 直到输出故障得到纠正。

6.3.4 容性负载和稳定性

        运放的容性带载能力与放大倍数有关，增加增益可增强放大器驱动更大容性负载的能力。小信号过冲与容性负载之间的关系如下图所示。

        为了在单位增益配置中获得额外的驱动能力，通过在输出中串联一个小电阻器 RISO 来提高容性负载驱动能力， 如图 6-7 中所示。 此电阻器可显著减少振铃，并保持负载的直流性能。 但是，如果电阻负载与容性负载并联， 则会产生一个电压分压器，从而在输出端引入增益误差并略微减小输出摆幅。引入的误差与 RISO / RL 的比率成正比， 在低输出下通常可忽略不计。 高容性负载驱动使 TLV916x 非常适合用于基准缓冲器、 MOSFET 栅极驱动器和电缆屏蔽驱动器等应用。 图 6-7 中所示的电路采用隔离电阻器 RISO 来稳定运算放大器的输出。 RISO修改了系统的开环增益， 因而能够带来更高的相位裕度。

6.3.5 共模电压范围

        轨对轨输入范围是通过并联互补的 N沟道和 P 沟道差分输入对实现的。从 (V+) – 1V 到正电源时，Nmos对运行。当输入电压为负电源电压到大约 (V+) – 2V 时，Pmos对处于激活状态。其转换区域较小， 通常为 (V+) – 2 V 至 (V+) – 1V 这时两个输入对都处于导通状态。 此转换区域会随工艺不同而略有波动。 在此区域内， 与在该区域外运行相比， PSRR、 CMRR、失调电压、温漂、噪声和 THD 性能可能会下降。

6.3.6反相保护

        超过输入共模电压(CM)范围时，某些运算放大器会发生输出电压相位反转问题。其原因通常是运算放大器的一个内部级不再具有足够的偏置电压而关闭，导致输出电压摆动到相反电源轨，直到输入重新回到共模范围内为止。

        输入可能仍然在电源电压轨内，只不过高于或低于规定的共模限值之一。

6.3.7 电气过载

        下图展示的是运算放大器（Op Amp）在典型应用中的 内部ESD保护电路（ElectroStatic Discharge Protection）等效模型。图中显示了输入、输出、供电引脚如何通过内部电路被保护，以防止静电击穿。

        EOS全称电气过应力（Electrical Over Stress），其表现方式是过压或者过流产生大量的热能，烧坏元器件内部。EOS可指所有的过度电型故障，也包括下面要介绍的ESD。

        ESD全称静电放电（Electrical Static Discharge），特指因静电造成的瞬时烧坏元器件的故障。我们知道静电虽然持续时间极短，但却可以产生巨大的电流和电压，这足以破坏元器件的内部结构。按照定义，ESD本质上仍是电气过应力故障，故而它可以看做EOS的特例。

        TI对其进行简单说明，ESD 事件持续时间非常短，电压非常高（ 例如，1kV， 100ns），而EOS事件持续时间长，电压较低（例如，50V，100ms） 。

        过载恢复的定义是运算放大器输出从饱和状态恢复到线性状态所需的时间。 当输出电压由于高输入电压或高增益

6.3.8 过载恢复

        而超过额定工作电压时， 运算放大器的输出器件进入饱和区。 器件进入饱和区后， 输出器件中的电荷载体需要时间返回到线性状态。 当电荷载体返回到线性状态时， 器件开始以指定的压摆率进行转换。因此， 过载时的传播延迟等于过载恢复时间与转换时间的总和。 TLV916x 的过载恢复时间大约为 120ns。

6.3.9 典型规格与分布

        放大器的每种规格都与理想值存在一定的偏差，例如放大器的输入失调电压。这些偏差通常遵循“高斯”分布。

        对于最小值或最大值列中没有值的规格，可考虑为应用选择1σ值的足够限值空间，并使用该值来设计WCCA。从高斯分布中可以看出，会存在与规格书偏差很大的器件（虽然概率很小），但是TI会从剔除失调电压超标的器件。

6.3.9 散热焊盘的封装

         TLV916x 系列带有一个散热焊盘，这里需要注意该焊盘主要用于散热。在使用的时候需要将散热焊盘浮空或者接到负电源上。但是不能接到大于负电源的网络上，这样会引起一个电势差影响运放的性能。

6.3.11 Shutdown

        SHDN引脚用于失能运放以降低功耗，功耗大约在36µA 。SHDN的逻辑电平参考负电源。低电平范围在V– 到V–+0.2V。高电平范围在V– + 1.1V到 V+。SHDN引脚内部有下拉电阻，失能的时候需要拉高。但是电压不能超过正电源。

        SHDN引脚内部是高阻的COMS结构，失能时间大约在5us，失能时间在3us。

6.4 Device Functional Modes

        TLV916x 具有单一功能模式， 可在电源电压大于 2.7V (±1.35V) 时工作。 TLV916x 的最大电源电压为 16V (±8V)。