Onsemi NCS20081/2/4和NCV20081/2/4运算放大器：低功耗与高性能的完美结合

在电子设计领域，运算放大器（Op Amp）是不可或缺的基础元件之一。Onsemi推出的NCS20081/2/4和NCV20081/2/4系列运算放大器，凭借其低功耗、宽带宽和良好的性能，在众多应用场景中展现出独特的优势。本文将深入介绍这一系列运算放大器的特点、性能参数以及应用注意事项。

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产品概述

NCS20081/2/4系列是单、双和四通道运算放大器家族，具有1.2 MHz的增益带宽积（GBWP），每个运算放大器的静态电流仅为42 μA。其输入失调电压为4 mV，工作电源电压范围从1.8 V到5.5 V，工作温度范围为 -40 °C至 +125 °C。该系列采用轨到轨输入/输出（Rail-to-Rail In/Out）操作，能够充分利用整个电源电压范围，同时发挥1.2 MHz GBWP的优势，性能优于许多行业标准部件。带有NCV前缀的器件符合AEC-Q100标准，适用于汽车等对可靠性要求较高的应用。

产品特点

宽带宽与低功耗

• 宽带宽：具有1.2 MHz的增益带宽积，能够满足许多高速信号处理的需求。
• 低功耗：每个通道的静态电流仅为42 μA（(V_{S}=1.8 ~V)），有效降低了系统的功耗，延长了电池供电设备的续航时间。

低输入失调电压

最大输入失调电压为4 mV，确保了运算放大器在信号处理过程中的准确性和稳定性。

宽电源范围和温度范围

• 宽电源范围：工作电源电压范围为1.8 V到5.5 V，能够适应不同的电源环境。
• 宽温度范围：工作温度范围为 -40 °C至 +125 °C，适用于各种恶劣的工作环境。

轨到轨输入输出

轨到轨输入输出操作允许运算放大器充分利用整个电源电压范围，提高了信号处理的动态范围。

多种封装形式

提供单通道、双通道和四通道的封装形式，包括SC70-5、TSOP-5/SOT23-5、Micro8/MSOP8、SOIC-8、TSSOP-8、TSSOP-14、SOIC-14和UDFN6等，方便工程师根据不同的应用需求进行选择。

汽车级应用认证

带有NCV前缀的器件符合AEC-Q100标准，适用于汽车等对可靠性要求较高的应用。

环保特性

这些器件无铅、无卤素/无溴化阻燃剂（BFR Free），符合RoHS标准，符合环保要求。

性能参数

绝对最大额定值

• 电源电压：(V_{S}) 最大为6 V。
• 输入电压：(V{I}) 范围为 (V{SS} - 0.5) 到 (V_{DD} + 0.5) V。
• 差分输入电压：(V{ID}) 最大为 (pm V{s}) V。
• 最大输入电流：(I_{I}) 最大为 (pm 10) mA。
• 最大输出电流：(I_{O}) 最大为 (pm 100) mA。
• 连续总功耗：(P_{D}) 最大为200 mW。
• 最大结温：(T_{J}) 最大为150 °C。
• 存储温度范围：(T_{STG}) 为 -65 °C至150 °C。
• 安装温度：(T_{mount}) 最大为260 °C（红外或对流20秒）。
• ESD能力：人体模型（HBM）和带电器件模型（CDM）的ESD能力均为2000 V。
• 闩锁电流：(I_{LU}) 最大为100 mA。
• 湿度敏感度等级：MSL为1级。

电气特性

在不同的电源电压下（(V{S}=1.8 ~V)、(V{S}=3.3 ~V) 和 (V{S}=5.5 ~V)），该系列运算放大器具有不同的电气特性，包括输入失调电压、输入偏置电流、开环电压增益、短路电流、输出电压摆幅、交流特性、噪声特性和电源特性等。例如，在 (V{S}=1.8 ~V) 时，输入失调电压最大为3.5 mV，开环电压增益为86 - 120 dB，总谐波失真加噪声（THD+N）为0.005%。

典型性能特性

通过一系列的典型性能特性曲线，我们可以更直观地了解该系列运算放大器在不同条件下的性能表现，包括静态电流与电源电压、温度的关系，失调电压与电源电压、温度、共模电压的关系，开环增益和相位裕度与频率的关系，总谐波失真加噪声与输出电压、频率的关系，输入电压噪声和电流噪声与频率的关系，电源抑制比（PSRR）与频率的关系，共模抑制比（CMRR）与频率的关系等。

应用信息

防止相位反转

NCS运算放大器设计用于防止输入引脚电位超过电源电压达100 mV时出现相位反转或类似问题。其输入级由两个并联的差分CMOS输入级组成，分别适用于低共模输入电压和高共模输入电压，在约 (V_{DD} - 1.3V) 的共模输入电压处发生切换。

限制输入电压和电流

为防止放大器损坏或不正常工作，应用电路必须确保输入引脚的电压和电流不超过绝对最大额定值。内部ESD结构包含特殊二极管，可在保持低输入偏置电流的同时保护输入级。在某些应用中，可能需要添加外部钳位二极管来防止过大电压到达运算放大器输入。同时，通过添加串联电阻来限制输入引脚的电流，将输入引脚电流限制在绝对最大值以内。

轨到轨输出

最大输出电压摆幅取决于特定的输出负载。当负载电阻为10 kΩ时，输出可以达到距任一电源轨25 mV以内。输出电流内部限制为典型值15 mA。

驱动容性负载

驱动容性负载可能会导致电压反馈运算放大器出现稳定性问题，如相位裕度降低、带宽下降、频率响应增益峰值、阶跃响应过冲和振铃等。NCS(V)20081/2/4系列运算放大器能够驱动高达100 pF的容性负载，通过在输出端串联一个小电阻（R_ISO）可以增加反馈回路的相位裕度，提高稳定性。

单位增益带宽

在将高阻抗传感器输出连接到相对低阻抗的ADC输入时，通常需要一个中间级来避免两个设备之间的干扰。单位增益缓冲器是一个不错的选择，它具有高输入阻抗、低输出阻抗和高输出电流的特点。为了实现比多路复用采样率更短的建立时间，建议在缓冲器和ADC输入之间添加一个RC级。

电源旁路

对于交流信号，电源引脚（VDD和VSS用于分离电源，VDD用于单电源）应使用100 nF的优质电容器（推荐陶瓷电容器，因其具有低ESR和良好的高频响应）在运算放大器的电源引脚附近进行局部旁路。对于直流信号，距离运算放大器几英寸范围内的1 μF大容量电容器可以提供驱动更高负载所需的额外电流。

未使用的运算放大器

在某些应用中，四通道封装中的运算放大器可能并非全部需要。可以将未使用的运算放大器连接为“缓冲接地”，避免因不同的连接方式（如输入连接到电源轨、浮空等）导致不必要的振荡、串扰、电流消耗增加或向电源轨添加噪声。

PCB表面泄漏

如果对最低输入偏置电流有严格要求，应考虑印刷电路板（PCB）的表面泄漏影响。在恶劣环境条件下，建议对整个电路板表面（包括所有暴露的金属引脚和焊接区域）进行保护，如采用 conformal coating或用树脂灌封电路板。另一种减少泄漏的方法是在敏感引脚和焊盘周围使用保护环。

PCB布线建议

为了达到指定的运算放大器参数并避免高频干扰问题，PCB布局应遵循一些基本准则：

• 尽可能使用专用的接地平面层，并通过过孔将所有电源去耦电容器连接到该层。
• 铜迹线应尽可能短。
• 大电流路径不应与小信号或低电流迹线共享。
• 如果存在开关电源模块，应将其远离模拟敏感区域，以避免潜在的传导和辐射噪声问题。
• 当不同的电路类型共享同一电路板时，建议将电源区域、数字区域和小信号模拟区域分开。
• 信号路径中的小信号部件应尽可能靠近运算放大器的输入引脚。
• 在某些情况下，可能需要对敏感区域和“干扰源”模块进行金属屏蔽。

应用示例

二阶有源低通滤波器

使用低输入偏置电流的运算放大器可以在相同的滤波器应用中使用更高值的电阻和更小的电容器。然而，更高值的电阻可能会带来更高的噪声和对电路板污染的敏感性，以及可能的频率响应变化。以NCS2008x运算放大器为例的有源低通滤波器，其3 dB带宽约为25 KHz，随后以 -40 dB/dec的斜率下降。这种在采样信号频段具有平坦响应的滤波器建议作为ADC的前端，以避免混叠。

总结

Onsemi的NCS20081/2/4和NCV20081/2/4系列运算放大器以其低功耗、宽带宽、良好的性能和多种封装形式，为电子工程师在传感器信号调理、低电压电流传感、滤波电路、单位增益缓冲等应用中提供了一个优秀的选择。在实际应用中，工程师需要根据具体的需求和条件，合理选择封装形式、考虑输入保护、负载驱动能力、电源旁路和PCB布局等因素，以充分发挥该系列运算放大器的性能优势。你在使用运算放大器的过程中遇到过哪些挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。