SGM8968系列CMOS运算放大器：特性、应用与设计要点

在电子工程领域，运算放大器是一种极为常见且关键的器件，它被广泛应用于各种电子设备和电路中。今天，我们就来详细探讨一下SGMICRO推出的SGM8968-1、SGM8968-2和SGM8968-4这一系列CMOS运算放大器。

文件下载：SGM8968-1_SGM8968-2_SGM8968-4.pdf

一、产品概述

SGM8968-1/2/4是单、双和四轨到轨输入输出运算放大器家族，专为低电压、低噪声和高精度操作而优化。它们能够在1.8V至5.5V的单电源下工作，在5.5V时每个放大器仅消耗1.6mA的静态电流。

二、产品特性

高精度

最大输入失调电压仅240μV，这一特性使得该运算放大器在对精度要求较高的应用中表现出色，例如传感器信号处理等场景，能够有效减少误差，提高系统的准确性。

高带宽与高转换速率

具有10MHz的高增益带宽积和20V/μs的转换速率。高增益带宽积意味着它可以在较宽的频率范围内保持稳定的增益，适用于处理高频信号；而高转换速率则能够快速响应输入信号的变化，对于快速变化的信号也能准确处理。

低噪声

在10kHz时噪声仅为8nV/√Hz，低噪声特性对于音频、传感器等对噪声敏感的应用至关重要，能够有效减少噪声对信号的干扰，提高信号质量。

轨到轨输入输出

输入和输出都支持轨到轨操作，这使得它能够充分利用电源电压范围，在单电源应用中可以处理接近电源电压的信号，提高了电源的利用率和电路的动态范围。

宽电源电压范围

电源电压范围为1.8V至5.5V，这使得它具有很强的适应性，可以在不同的电源环境下工作，为设计带来了更大的灵活性。

低功耗

每个放大器的静态电流典型值为1.6mA，低功耗特性使得它在电池供电的设备中具有很大的优势，能够延长设备的续航时间。

工作温度范围广

可在 -40℃至 +125℃的扩展工业温度范围内工作，适用于各种恶劣的工业环境。

小封装

不同型号提供多种小封装选择，如SGM8968 - 1有Green SOT - 23 - 5和SOIC - 8封装；SGM8968 - 2有Green SOIC - 8和MSOP - 8封装；SGM8968 - 4有Green SOIC - 14和TSSOP - 14封装，小封装有利于减小电路板的尺寸，实现小型化设计。

三、应用领域

传感器

由于其高精度和低噪声特性，非常适合用于传感器信号的放大和处理，能够准确地将传感器采集到的微弱信号进行放大，提高传感器的测量精度。

音频

低噪声和高带宽的特点使其在音频领域有广泛的应用，如音频放大器、音频滤波器等，能够提供高质量的音频信号处理。

有源滤波器

可用于设计各种有源滤波器，实现对特定频率信号的滤波和处理，满足不同的信号处理需求。

A/D转换器

在A/D转换器的前端，该运算放大器可以对输入信号进行放大和调理，提高A/D转换的精度和性能。

通信

在通信系统中，可用于信号的放大、滤波等处理，确保通信信号的质量和稳定性。

测试设备

高精度和高可靠性使得它在测试设备中得到广泛应用，能够准确地测量和处理各种信号。

电池供电设备

如手机、笔记本电脑、PDA等，低功耗特性能够延长设备的电池续航时间。

光电二极管放大

可用于光电二极管信号的放大，提高光电检测的灵敏度和准确性。

四、电气特性

输入特性

• 输入失调电压：在25℃时典型值为50μV，最大值为240μV，在全温度范围内最大值为700μV。
• 输入失调电压漂移：在VS = ±2.75V时，全温度范围内典型值为1μV/℃。
• 输入偏置电流：25℃时典型值为6pA，最大值为120pA，全温度范围内最大值为6500pA。
• 输入失调电流：25℃时典型值为6pA，最大值为120pA，全温度范围内最大值为1500pA。
• 输入共模电压范围：全温度范围内为(-VS) - 0.1V至(+VS) + 0.1V。
• 共模抑制比：在不同电源电压和共模电压条件下，25℃时最小值为84dB，全温度范围内最小值为81dB。

  输出特性

• 输出电压摆幅：在不同电源电压和负载电阻条件下，输出电压摆幅有所不同，如VS = 5.5V，RL = 1kΩ时，25℃时典型值为60mV，全温度范围内最大值为88mV。
• 输出电流：VS = 5.5V时，25℃时典型值为80mA，全温度范围内最小值为19mA。

  电源特性

• 工作电压范围：全温度范围内为1.8V至5.5V。
• 电源抑制比：在VS = 1.8V至5.5V，VCM = (-VS) + 0.5V条件下，25℃时最小值为89dB。
• 静态电流：每个放大器典型值为1.6mA，全温度范围内最大值为2.2mA。

  动态性能

• 增益带宽积：VS = 5V时，25℃时典型值为10MHz。
• 相位裕度：VS = 5V时，25℃时典型值为60°。
• 转换速率：VS = 5V，G = +1，2V输出阶跃时，25℃时典型值为20V/μs。
• 建立时间：VS = 5V，G = +1，2V输出阶跃时，25℃时典型值为280ns。
• 过载恢复时间：VS = 5V，VIN × G = VS时，25℃时典型值为100ns。
• 总谐波失真 + 噪声：VOUT = 4VP - P，G = +1，f = 10kHz，BW = 22Hz至80kHz时，25℃时典型值为0.0005%。

  噪声性能

• 输入电压噪声密度：f = 1kHz时，25℃时典型值为18nV/√Hz；f = 10kHz时，25℃时典型值为8nV/√Hz。

五、典型性能特性

文档中给出了多种典型性能特性曲线，如静态电流与电源电压的关系、输入失调电压与输入共模电压的关系、转换速率与电源电压的关系等。这些曲线能够帮助工程师更好地了解该运算放大器在不同条件下的性能表现，为电路设计提供参考。

六、应用设计要点

轨到轨输入

当SGM8968 - 1/2/4在1.8V至5.5V的电源下工作时，输入共模电压范围为(-VS) - 0.1V至(+VS) + 0.1V。输入和电源轨之间的ESD二极管会钳位输入电压，防止其超过电源轨。

输入电流限制保护

为了防止ESD二极管和放大器因电流过大而损坏，在一些应用中需要添加电流限制保护。可以选择一个电阻来限制电流不超过最大额定值，但要注意该电阻会在放大器输入处产生热噪声，因此其阻值应尽可能小。

轨到轨输出

支持轨到轨输出操作，在单电源应用中，例如+VS = 5.5V，-VS = GND，10kΩ负载电阻连接在OUT引脚和VS/2之间时，典型输出摆幅范围为0.008V至5.492V。

驱动容性负载

该系列运算放大器设计为在高达1nF的容性负载下单位增益稳定。如果在应用中需要驱动更大的容性负载，可以使用特定的电路，通过反馈回路补偿RISO产生的IR压降。

电源去耦和布局

干净、低噪声的电源对于放大器电路设计非常重要。电源旁路是清除电源噪声的有效方法，可以使用10μF陶瓷电容与0.1μF或0.01μF陶瓷电容并联，并将其尽可能靠近+VS和 - VS电源引脚放置。

接地

在低速应用中，单点接地是消除接地噪声最简单有效的方法；在高速应用中，使用完整的接地平面技术可以帮助散热和减少EMI噪声拾取。

减少输入到输出耦合

为了减少输入到输出的耦合，输入走线应尽可能远离电源或输出走线，敏感走线不应与噪声走线在同一层平行放置，而应在不同层垂直放置，以减少串扰。

七、典型应用电路

差分放大器

经典差分放大器电路，当R4 / R3 = R2 / R1时，VOUT = (VP - VN) × R2 / R1 + VREF。

高输入阻抗差分放大器

在输入端添加放大器以增加输入阻抗，消除了经典差分放大器输入阻抗低的缺点。

有源低通滤波器

直流增益等于 - R2 / R1，-3dB截止频率等于1/2πR2C。设计时，滤波器带宽必须小于放大器的带宽，电阻值应尽可能低，以减少PCB布局中寄生参数产生的振铃或振荡。

SGM8968系列CMOS运算放大器凭借其出色的性能和丰富的特性，在众多电子应用领域具有广泛的应用前景。电子工程师在设计电路时，可以根据具体的应用需求，充分利用其优点，同时注意应用设计要点，以实现最佳的电路性能。大家在实际应用中有没有遇到过一些特殊的问题呢？欢迎一起交流探讨。