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。

第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。

图1：TILM2902的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。

图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)。

第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。

第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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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

编辑：jq