單片式運(yùn)算放大器可在 ±4.75V 至 ±70V 范圍內(nèi)工作，并具有軌至軌輸出擺幅和低輸入偏置電流

單片式運(yùn)算放大器自上個(gè)世紀(jì) 60 年代起就大量面市了，不過(guò)這種廣泛使用的器件在性能方面仍在穩(wěn)步改進(jìn)。LTC6090 高精度單片式運(yùn)算放大器向前邁進(jìn)了一大步，其將電源電壓擴(kuò)展至 ±70V，而并未犧牲高精度運(yùn)算放大器期待擁有的特性。LTC6090 采用小型 8 引腳 SO 封裝和 16 引腳 TSSOP 封裝。這兩種封裝均具有用于降低熱阻的裸露襯墊，從而免除了增設(shè)散熱器的需要。一個(gè)至低電壓控制線的簡(jiǎn)易型接口和內(nèi)置的熱安全特性可簡(jiǎn)化高電壓模擬設(shè)計(jì)任務(wù)。

高電壓和高性能

人們對(duì)于運(yùn)算放大器的期望是其具備低輸入偏置電流、低失調(diào)和低噪聲。LTC6090 也不例外。該器件采用了一種 MOS 輸入級(jí)設(shè)計(jì)，輸入偏置電流通常為 3pA (在 25°C) 和 < 100 pA (在 85°C)。這使其非常適合于高阻抗應(yīng)用，例如圖 1 所示的光電二極管放大器。低輸入失調(diào)電壓小于 1.6mV，噪聲為 11nV/√Hz (在 10kHz)。輸入共模范圍至任一電源軌的 3V 或一個(gè) 134V 的范圍 (橫跨一個(gè) 140V 電源)。

圖 1：擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍 1M 跨阻抗光電二極管放大器

在輸出側(cè)，高精度運(yùn)算放大器期望在驅(qū)動(dòng)負(fù)載時(shí)保持精準(zhǔn)度。LTC6090 在這方面同樣不令人失望。具穩(wěn)定單位增益的輸出驅(qū)動(dòng)能力包括一個(gè) 10MHz GBW 乘積、高轉(zhuǎn)換速率和額定在 ±10mA 的軌至軌輸出級(jí) (其能驅(qū)動(dòng)高達(dá) 200pF 的容性負(fù)載)。圖 2 所示的實(shí)例是一個(gè) 140VP-P 10kHz 正弦波。由圖 3 可見(jiàn)，輸出擺幅在負(fù)載電流增加的情況下得到了很好的保持。而且，100VP-P 時(shí)的輸出電壓保真度一直擴(kuò)展到 8kHz，如圖 4 所示。

圖 2：LTC6090 輸出電壓 140VP-P 10kHz 正弦波

圖 3：LTC6090 輸出電壓擺幅與負(fù)載電流的關(guān)系曲線

圖 4：LTC6090 總諧波失真 + 噪聲之和與頻率的關(guān)系曲線

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高阻抗應(yīng)用需要低漏電電路

LTC6090 的低輸入偏置電流使其成為那些需要非常高電壓之高阻抗應(yīng)用的絕佳選擇。如圖 5 所示，輸入偏置電流與溫度之間存在對(duì)數(shù)關(guān)系，溫度每升高 10°C 輸入偏置電流將倍增一次。此外，輸入保護(hù)器件位于一個(gè)隔離袋內(nèi)，當(dāng)輸入引腳上的電壓增加 (相對(duì)于 V–) 時(shí)，隔離袋中的漏電流增大。在圖 5 中，輸入引腳被保持于中間電源電壓。

圖 5：LTC6090 輸入偏置電流與結(jié)溫的關(guān)系曲線

為了保持低輸入偏置電流，在 PCB 布局時(shí)必須謹(jǐn)慎從事?？梢钥紤]采用特殊的低漏電電路板材料。在關(guān)鍵型應(yīng)用中，應(yīng)考慮使用保護(hù)環(huán)。帶裸露襯墊的 TSSOP 封裝具有保護(hù)環(huán)引腳，可用于保護(hù)輸入引腳免遭漏電流的損壞。圖 6 示出了反相放大器的 PCB 布局示例。請(qǐng)注意，必須穿過(guò)保護(hù)環(huán)拉回焊料掩模以裸露 PCB 金屬。PCB 必須整潔干燥，這一點(diǎn)是很重要。應(yīng)考慮采用某種溶劑對(duì)其進(jìn)行清潔，并用自來(lái)水清洗任何的殘留物，然后對(duì)電路板進(jìn)行烘烤以除去所有的水分。另外我們還發(fā)現(xiàn)：用肥皂和自來(lái)水 (不帶溶劑) 徹底洗滌電路板可產(chǎn)生很好的效果。

圖 6：PCB 保護(hù)環(huán)布局示例

將低電壓控制線連接至一個(gè)高電壓運(yùn)算放大器

LTC6090 上的低電壓控制線最低可連接至負(fù)電源軌，最高則可連接至比正電源軌低 5V 的電壓。COM 引腳充當(dāng)一個(gè)與低電壓控制線相連的公共接口，并可連接至低電壓系統(tǒng)地或浮置。輸出停用 (OD) 和過(guò)熱 (TFLAG) 引腳現(xiàn)參考于低電壓系統(tǒng)地。如圖 7 所示，利用二極管和電阻器對(duì) COM、OD、TFLAG 引腳提供保護(hù)。倘若被浮置時(shí)，則由 OD 引腳的內(nèi)部上拉電阻器把 COM 引腳拉至高于中間電源至 21V (當(dāng)電源為 ±70V 時(shí))。[!--empirenews.page--]

圖 7：專為在芯片結(jié)溫達(dá)到 145°C 時(shí)自動(dòng)停用輸出級(jí)而配置的低電壓接口

熱保護(hù)：采用 /OD 和 /TFLAG

在 140V 的總電源電壓和 2.7mA 的典型靜態(tài)電流條件下，LTC6090 的功耗為 378mW。添加一個(gè)負(fù)載，功耗就會(huì)超過(guò) 1W，因而使得優(yōu)良的熱設(shè)計(jì)成為需要優(yōu)先考慮的問(wèn)題之一。兩種封裝 (SO 和 TSSOP) 在底部都具有一個(gè)裸露襯墊，該裸露襯墊在內(nèi)部連接至負(fù)電源軌 V–，而且必須連接至負(fù)電源平面。在實(shí)際條件允許的情況下將盡可能多的 PCB 金屬連接至裸露襯墊，封裝的熱阻與焊接至裸露襯墊的金屬量成比例。在最好的情況下，SO 封裝的熱阻ΘJA 為 33°C/W。當(dāng)產(chǎn)生 1W 功耗時(shí)，芯片的結(jié)溫升至比環(huán)境溫度高 33°C。

一種專為避免 LTC6090 超過(guò) 150°C 結(jié)溫而設(shè)計(jì)的重要功能可在結(jié)溫變得過(guò)高時(shí)關(guān)斷輸出級(jí)。這是通過(guò)把過(guò)熱引腳連接至輸出停用引腳來(lái)完成的。過(guò)熱引腳 (即 TFLAG 引腳) 是一個(gè)漏極開路引腳，當(dāng)芯片結(jié)溫達(dá)到 145°C 時(shí)它將被拉至低電平。當(dāng)結(jié)溫達(dá)到 140°C 時(shí)，5°C 的內(nèi)置遲滯將釋放 /TFLAG 引腳。輸出停用引腳 (即 OD 引腳) 是一個(gè)低態(tài)有效引腳，其在被拉至低電平 (相對(duì)于 COM 引腳) 時(shí)將關(guān)斷輸出級(jí)，并把器件的靜態(tài)電流減低至 670μA。當(dāng)這兩個(gè)引腳連接在一起時(shí)，LTC6090 將在芯片結(jié)溫達(dá)到 145°C 時(shí)停用。請(qǐng)注意，這些引腳既可以浮置也可以連接在一起。

一種附加的熱安全特性可在芯片結(jié)溫達(dá)到約 175°C 時(shí)關(guān)斷輸出級(jí)。7°C 的遲滯可在芯片溫度回落至大約 168°C 時(shí)啟用輸出級(jí)，如圖 8 所示。請(qǐng)注意，圖 8 示出了結(jié)溫。該特性旨在避免器件遭受災(zāi)難性的熱故障。在高于其 150°C 的絕對(duì)最大結(jié)溫下運(yùn)作 LTC6090 會(huì)降低其可靠性，應(yīng)對(duì)這種做法加以阻止。

圖 8：LTC6090 熱停機(jī)遲滯曲線圖

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結(jié)論

LTC6090 具有低電壓高精度放大器的高性能規(guī)格指標(biāo)，但可在采用 ±70V 電源時(shí)工作，故而適合高電壓應(yīng)用。這些特點(diǎn)包括適用于高精度前端的高增益、低輸入偏置電流、低失調(diào)和低噪聲。一個(gè)軌至軌輸出級(jí)能夠驅(qū)動(dòng)一個(gè) 200pF 的負(fù)載電容器和 ±10mA 的負(fù)載電流，因而使得這款器件適合于精準(zhǔn)的高電壓應(yīng)用，比如高阻抗放大器。用于停用輸出的簡(jiǎn)易連接型控制線和熱停機(jī)功能實(shí)現(xiàn)起來(lái)很簡(jiǎn)單。小型 8 引腳 SO 封裝和 16 引腳 TSSOP 封裝均具有旨在降低熱阻的裸露襯墊，從而免除了增設(shè)一個(gè)散熱器的需要。