集成运算放大器的特性及其在音频放大器中的应用_六_高速运算放大器OPA627_图文

1、TI公司生产的OPA627运算放大器具有精度高、音质好的优点,被公认为是一种高级的运算放大器。本文将对它的相关情况进行较为详细地介绍。一、OPA627的优点它是TI公司生产的高速运算放大器家族中的一种,除此之外还有OPA637。在TI数据手册的标题中将此类运算放大器称之为“Precision Highspeed Difet Operational Amp”,表明此类运算放大器并不是专门为音频应用度身定制的产品。但是OPA627所具有的高速、低噪声、低THD特性,在处理包含音频信号在内的模拟信号时,可以发挥其卓越的实力。TI(Texas Instruments,上市销售时的商标是BB商标的高速运

2、算放大器系列的产品采用了该公司独有的高精度制造工艺技术(申请了专利保护的Difet工艺,这类产品具有兼顾高速响应特性和低噪声特性的特点。Difet工艺是一种被称之为“Dielectrically Isolated FET”的半导体制造工艺,其结构是在半导体的硅片上用硅的Die将FET进行分离(隔离。采用这种工艺制造的集成电路电流的泄漏和电路间的相互干扰都做到了最小化。与简单的C-MOS工艺或者双极型工艺相比,Difet工艺的加工过程要稍稍复杂一些,因此这类运算放大器的价格也要高一些,但应该说是物有所值。二、OPA627/637系列的概要OPA627和637在频率特性方面有所不同,OPA627在

3、单位增益时能稳定地工作,增益带宽积为16MHz。而OPA637的增益必须大于等于4时才能稳定地工作,增益带宽积为80MHz。在其型号中,根据失调电压/偏置电流的最大值分为A和B两类,根据外壳封装的形状分为P、U、M三类,根据工作温度范围分为A、B、S等几类。用这些英文字母作为运算放大器型号的后缀表示它们之间的区别。表1列出了OPA627家族中各种型号以及对应的封装形状和工作温度范围。在音频应用时,一般可选用OPA627AP(8脚塑料DIP 封装和OPA627AU(8脚塑料SOIC封装这两种。图1是DIP和SOIC封装的OPA627的引脚连接图。三、OPA627的直流特性1.失调电压就失调电压而

4、言,A类和B类在标准值和最大值方面都有所不同,分别作了如下的规定。A类:280Vtyp,500VmaxB类:100Vtyp,250Vmax在一般的音频应用时,即使是选用A类,其失调电压电平也已足够了。即使是在要求失调电压特别小的应用场合,OPA627设置有失调电压的调整端口,所以可以通过在运算放大器外部连接电位器对失调电压进行简单地调整,所以选用A类产品也能满足要求。2.偏置电路A、B两类OPA627运算放大器的偏置电流的标准值和最大值也有所不同,数据手册中分别作了如下的规定。A类:2pAtyp,10pAmaxB类:1pAtyp,5pAmax注:1pA=1×10-12A。OPA627

5、的输入端由于是采用Difet工艺的FET输入电路,所以偏置电流的值极小。很显然,这么小的偏置电流对于一般的音频应用来说完全不存在任何问题,完全可以放心地使用。集成运算放大器的特性及其在音频放大器中的应用(六高速运算放大器OPA627张达图1OPA627的引脚连接图技术纵横 四、OPA627的噪声特性表2是从OPA627的数据手册中摘录出来的噪声特性。1kHz 时的噪声频谱密度分别规定为:A 类:5.6nV/HztypB 类:5.2nV/Hztyp ,8.2nV/Hzmax把A 类的5.6nV/Hz 按20kHz 和100kHz 的带宽,换算成对应的噪声有效值和以2Vrms 信号为基准的信噪比时

6、,可以得到下面的结果。 20kHz 带宽5.6×20×103=792nVrms SNR=20log (2×109/792=128dB 100kHz 带宽5.6×100×103=1.771Vrms SNR=20log (2×106/1.771=121dB这样的噪声特性除了要求超低噪声的某些音频应用场合之外,在大多数音频应用场合都不存在任何问题。与前几期曾介绍过的AD797和5532/5534型运算放大器相比较,噪声频谱密度的规定值要稍稍大一些,但在其他特性方面,OPA627又要优于AD797和5532/5534,所以在实际应用时,可以根

7、据音频应用的具有要求有针对性的选择运算放大器,充分发挥运算放大器的长处。五、OPA627的动态特性OPA627突出的优点之一是拥有卓越的动态特性。表3是在其数据手册中有关动态特性的部分。1.增益带宽积在数据手册中,规定OPA627在增益G=1时的增益带宽积为16MHztyp 。图2(a 所示的是OPA627的开环增益特性。由图中的曲线可知,即使信号的频率为100kHz 也具有43dB 左右的增益,说明OPA627具有增益带宽积大的特点。这一点从图2(b 所示的增益-相位特性也可以得到同相的结论。在G=1.16MHz 信号输入时,由图中的曲线可知电路的相位裕度在75°以上。2.转换速率

8、OPA627规定的转换速率为40V/smin 、55V/styp ,由此表明可以用于大振幅、高频信号的放大电路。即使是在DAC 输出电路的应用场合,相对于最高频率为 表2噪声特性的各项参数参数条件OPA627BM/BP/SMOPA637BM /BP/SM OPA627AM/AP/AU OPA637AM/AP/AU 单位MIN TYP MAX M IN TYP MAX 频率响应变换速率:OPA627G=-1,10V 阶跃4055*V/s OPA637G=-4,10V 阶跃100135*V/s 建立时间:OPA6270.01%G=-1,10V 阶跃550*Ns 0.1%G=-1,10V 阶跃450

9、*ns OPA6370.01%G=-4,10V 阶跃450*ns 0.1%G=-4,10阶跃300*ns 增益带宽:OPA6270.01%G=116*MHz OPA6370.1%G=1080*MHz THD+NG=+1,f=1kHz 0.00003*%100kHz2Vrms (约6Vp-p 信号的最大倾斜V=2100×103×6=3.8V/s 的要求仍拥有足够多的余量。3.建立时间建立时间对于模拟音频信号处理时的阶跃响应特性来说,是一项最重要的特性。建立时间是表示收敛于所定的精度(例如规定为电压电平的0.1%的全部响应时间。对于OPA627来说,10V 阶跃、0.01%精度

10、的建立时间规定为550ns 。估计0.1%的精度的建立时间在450ns 左右,收敛于16比特精度(0.0015%的建立时间为1s 。该建立时间的特性在数据手册中是用标准特性曲线表示的。图3是OPA627的建立时间特性。由图中的曲线可以得知,0.0015%精度的建立时间为1.25s 。建立时间在后述的DAC 输出电路(I/V 变换电路的设计中是一项重要的参数。4.THD+N 特性THD+N 特性同样是运算放大器的音频电路应用时的一项重要的特性。OPA627的THD+N 特性的标准值规定为0.00003%(G=1的极小的值。根据经验,在实际应用时THD +N 特性很难做到低于,在20kHz 带宽的

11、条件下能做到0.0003%左右已很不错了。总之,只要THD+N 特性在以下,在实际应用中都不存在问题。六、其它特性1.电源特性和输出电压表4是数据手册中提供的电源电压和输出电压的参数。是按双电源供电的工作方式设计的产品,最低的供电电压为±4.5V ,在实际使用时推荐使用±12±15V 的电源。在负载阻抗RL=1k 电源电压为±15V 的条件下输出电压将大于±11.5V ,由此可知对一般的音频应用来说不存在任何问题。2.PSSR 特性图4是OPA627的电源电压抑制比(PowerSupply Rejection Ratio:PSSR 的标准特性曲

12、线。电源电压抑制比是表示电路对输出信号中,电源所包含的脉动和噪声等有害成分的抑制程度。由特性曲线可以看出,OPA627在接近直流的低频区域具有非常高的抑制比,但在频率较高的区域抑制比将随频率的升高而逐渐下降。由此可知,在实际的电路中,为了提高高频区域的抑制比,电源滤波电容器的作用是很重要的。七、OPA627的电路特性技术纵横 次级是用电流密勒电路构成驱动级,驱动级之后是输出电路。在电流密勒电路中,还通过局部负反馈电路进行相位补偿,这种电路结构在其他的运算放大器中也常被采用。为了实现低失调特性,在制造时采用了高稳定性的薄膜电阻外加激光微调的方法。这一微调过程是在晶片处于通电的状态下进行的,通过用

13、激光对电阻的微调将运算放大器的失调电压调整到手册中规定的精度内。八、OPA627应用电路-1图6是一般的多比特型DAC的结构方框图和各点的工作速率。作为I/V变换用的运算放大器,除了要求THD+N小之外,动态特性也非常重要。也就是说应该选用音频特性和动态特性均优的运算放大器来担任。众所周知,多比特DAC的第一级电路由8倍超取样电路和数参数条件OPA627BM/BP/SMOPA637BM/BP/SMOPA627AM/AP/AUOPA637AM/AP/AU单位M IN TYP M AX M IN TYP MAX供电电压推荐工作电压±15*V工作电压范围±4.5±18*

14、V电流±7±7.5*mA输出输出电压R L=1k±11.5±12.3*V(推荐工作温度上的场合±11±11.5*V输出电流V O-±10V±45*mA短路电路电流±35+70/-5±100*mA输出阻抗(开环1M Hz55*表4电源电压和输出电压特性C F=2R o C LR FR F>>R of-3dB=12R F R o C F C L姨技术纵横字滤波器组合而成,将输入信号的取样速率fs(基准取样速率乘以8后以8fs的频率送往后接的DAC电路。因此当输入信号的基准取样速率为48k

15、Hz或96kHz时,送往DAC电路的信号取样速度分别被提升为384kHz或768kHz,此时取样周期分别为T=1/384kHz=2.604s、T=1/768kHz=1.302s,也就是说,DAC输出的模拟信号是以上式的变换速率连续进行变换的,所以这种变换速率能满足电路在很高的频率下工作。前述的建立时间特性在这里是一项重要的参数。如图2的特性曲线所示的那样,0.0015%精度的建立时间约为1.25s。对于其他运算放大器来说,有的在数据手册中没有规定建立时间,有的虽然规定有建立时间但满足不了要求,在选择运算放大器时,必须充分注意建立时间是否能满足电路的要求这一问题。图7是在PCM1704的评价电路

16、板中用OPA627组成I/V变换电路的电路图。在图7的电路中与负反馈电阻R102并联的电容器C116是用于对响应特性进行补偿的电容器。从补偿的角度来看,该电容器的容量应在22100F之间选取,但当I/V变换部分同时具有1阶低通滤波器功能的场合,该电容器的容量可以用得更大一些。在设计印刷电路板时,应该注意电源滤波电容器要尽量设置在靠近运算放大器引脚的地方,并注意地线的布线方式。当用OPA627与PCM1704等多比特型DAC集成电路组成D/A变换电路时,用简单的电路形式(DAC、I/V变换、二阶LPF就可以获得120dB左右的信噪比。但是,最新的PCM1792A等DAC集成电路的噪声要比OPA更

17、小,在组成D/A变换电路时,总的信噪比会受到OPA627的限制。PCM1792A评价电路板输出信号的信噪比实测值为124125dB(20kHz带宽、A-Weighted、离DAC信成电路规定的127dB有23dB的差距。要想补偿这数dB噪声特性的劣势只能依靠动态特性。九、OPA627应用电路-2OPA627是一块具有响应速度快的运算放大器,一般来说不适合用于线路输出级等要求具有驱动能力的应用场合。在考虑到OPA627具有音质好的特点时,也会在一般的民用设备的线路输出电路(负载阻抗在数k以上中构成缓冲器用。但是即使是OPA627的相位裕度较大为75°,在负载为容性时其使用仍会受到限制。图8是负载为容性时用OPA627组成缓冲放大器的电路举例。在图8的电路中,与负反馈电阻并联连接的补偿电容器的容量与图3的建立时间特性中所示的容量不同。在图8的电路中把建立时间的变化控制到最小限度,在后接C L=5000pF的容性负载的情况下电路也能稳定地工作。电路的增益G=1+R