High Accuracy CMOS Operational Amplifier LMC6062/6082 and Its Application

     摘要：LMC6062/6082是一種高精度、高輸入阻抗的CMOS型運算放大器,文中介紹了它的特點、電氣特性及使用中的一些技術問題,并給出了它的三個應用實例。

    關鍵詞：CMOS運算放大器;LMC6062/6082;特點

    1.  LMC6062/6082的特點

    LMC6062/6082是國家半導體公司生產的雙CMOS運算放大器。以往的CMOS運算放大器由于輸入偏置電壓較高,不適合用于要求高精度的場合。然而LMC6062/6082的優良性能使它能與高精度的雙極型運放相匹敵,從而大大地拓寬了CMOS運放的應用范圍。

    LMC6062/6082最大額定電壓為16V,可在5～15V單電源下工作。也可在正、負電源供電情況下使用,采用正、負極電源時的電源電壓范圍為± 2.5～±7.5V。

    該IC采用DIP/SOP8腳封裝,其引腳排列如圖1所示,它的電氣特性表1

所列。特點如下：

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輸入偏置電壓小。LMC6062的輸入偏置電壓為100μV;LMC6082的輸入偏置電壓為150μV 。優于以往的高精度雙極型運算放大器。如果要比這一數值更佳,則需要使用斬波器型運算放大器。

·輸入偏置電流極小。由于是CMOS輸入,因此偏置電流非常小,僅。為了充分發揮LMC6062/6082運放的作用,對于如此小的輸入偏置電流,必須充分注意運放的安裝工藝。另需注意,如果由于不小心用于觸及了IC組件引腳,或由外部對IC引腳施加了機械力,將導致漏電流的增加。

·可獲得等于電源電壓的輸出幅度。由于輸出級也為CMOS電路,因此可以獲得近似V+～V-的輸出幅度。實際上輸出級多少存在一些殘余電壓,但僅為幾十毫伏而已。

·低功耗。對于LMC6062,當為5V,為0V時,其消耗電流僅32μA. 因此,它非常適合在電源電壓為5V的情況下工作,是電池供電的最理想的運算放大器。然而,LMC6062的低功耗是以犧牲工作速度和帶寬為代價的,當上述兩點為電路的主要矛盾時,應改用LMC6082。

   

2.  LMC6062/6082的使用方法

    運算放大器的特性越是優良,在使用上越是需要加以注意。下面介紹一下LMC6062/6082使用時的幾個注意事項。

    2.1輸入端的處理

    由于LMC6062/6082的輸入偏置電流很小,且輸入電阻很高。因此它常常被應用于高輸入阻抗的電路中。但如果我們安裝時不注意,盡管從電路本身來說它是一個高輸入阻抗的電路,然而實際制作成的電路卻有可能難以達到那樣高的輸入阻抗。

   

在圖2所示的同相放大電路中,理論上的輸入電流只等于 IC的偏置電流,但實際上存在著一個從同相輸入端通過印制板面流動漏電流,這樣就存在一個比 IC的偏置電流大得多的電流在流動。如印制板間的漏電阻為

,通常我們認為這一個值已是經相當大了。而當輸入電壓Vin=1V時,其漏電流約為1pA,這一數值卻是IC偏置電流10fA的100倍。

    在電路安裝時最基本的一條是要避免產生這一類漏電流。從理想化角度來講,將容易產生漏電流的電路部分用懸空配線的方法是最好的選擇。如果不能做到這一點。則可使用聚四氟乙烯塑料作為中繼過渡接點的支點。

    另外一種處理方法是用IN一端（反相輸入端）的電路來包圍IN+端（同相輸入端）的電路,如圖3所示。這樣IN-端和IN+端之間的電位差由于虛擬短路的成立而可以把它看成為0V,于是即使IN+端和IN-端之間存在著漏電阻,漏電流仍可等于零。

   

另外,還可根據不同電路來設計不同的的包圍方法,關鍵是要用同電位的低阻抗電路來進行環圍。

    印制板的材料也是至關重要的,雖然上面沒有特別涉及到這一點。但原則上要使用玻璃環氧為材料制作的印制板。如果使用廉價的酚醛樹脂印制板,則將會使漏電流增加。

    2.2輸入電容的補償

    當輸入電流非常小時,要有效地利用本運放的特性,需將反饋電阻Rf設置得較大。圖4 所示的電路是將光敏二極管的輸出電流進行電壓交換的電路,光敏二極管的結電容附加在運算放大器的反相輸入端和地之間。此時應考濾印制板上寄生電容的影響,我們把這些電容歸結為 CIN。CIN的存在將會引起運放工作的不穩定,嚴重時將使電路產生振蕩。

    為了消振,可把電容Cf并聯到Rf上,其容量的選擇應滿足Rg為從放大器反相輸入端看出去的信號源內阻。對反相放大電路來說,信號源內阻和輸入電阻的總和為 Rg,這時CIN等于反相輸入端
與地之間的容量。然而,實際上Rg和未必能預先知道,調試時可以用試探法來改變Cf的容量,直到使輸出脈沖不產生上沖和振蕩。Cf過大雖不會出現振蕩,但將使波形的上升沿變壞,因此應在這一監界點附近反復調整,直至選擇一個最佳的Cf 容量。

2．3阻塞問題

使用CMOS集成電路時,由于結構上的原因,電路產生阻塞是一個令人感到困惑的問題。由于某些原因,當一個超過電源電壓的信號疊加到輸入端后,即使此后去掉這一疊加電壓,只要沒有切斷電源,一個大電流將持續地在電路中流動,而這一電流可能最終導致集成電路的損壞。 為此,當輸入、輸出外部引出端將遭受無法預料的高電壓或浪涌沖擊時,有必要串接電阻或加接箝位二極管來保護集成電路。串接電阻一般不存在什么問題,加接箝位二極管時由于集成電路的偏置電流非常小,反相電流就不能忽略,因而無法發揮本集成電路輸入偏置電流非常小的特點。

   

3．LMC6062/6082的應用電路

    3.1高輸入阻抗測量放大器

    測量放大器通常要求具有較高的輸入阻抗,因此應用LMC6062/6082是最合適的。圖5是測量放大器的一個實例,它是最大限度地發揮了本ICCMOS高輸入阻抗特點的放大器電路,該電路的電壓放大倍數為 100倍左右。用A1、A2構成差動輸入/差動輸出放大器,由A3將差動信號變換成通常的單端信號。本電路處在線性放大工作狀態,當正、負輸入端都加入信號時,輸出信號即 A3的輸出為：

    3.2超低頻正弦波振蕩電路

    文氏橋振蕩器是正弦波振蕩電路中的一種比較有名的振蕩電路。用普通的運算放大器構成超低頻振蕩電路時,如果文氏橋的電阻取得過大,從減小運放偏置角度來說是不理想的,而大容量的電容器由于漏電流等影響也不宜使用。但當使用 CMOS輸入電路時,即使使用較大的電阻也完全不存在什么問題。圖6所示為振蕩頻率為0.1Hz的正弦波振蕩電路。

   
正弦波振蕩電路中的一個難點是振幅控制電路（從輸出端反饋到反相輸入端的反饋電路）。特別是在這樣一類超低頻振蕩的場合,由于通常采用的是二極管整流型電路, 因此其振蕩達到穩定需要經過較長的時間。如果,則振蕩達到穩定將需要幾十秒的時間,這在實用上令人無法容忍。因此,可在某種程度上犧牲一點失真度而采用限幅器電路的形式,這樣由于不接入時間常數電路,從而使振蕩即刻就能進入穩定狀態。

    3.3超低頻有源濾波器

    LMC6062/6082的另一位應用是利用它的偏置電流非常小的特點,在超低頻范圍內引入截止頻率這一概念組成的有源濾波器電路。

    圖7是一個截止頻率等于0.1Hz的低通濾波器電路.從電路結構上來看,它同以往的某些有源濾波器沒有什么兩樣 ,所不同的是電阻的阻值大小不一樣。圖中由于使用了以前無法使用的高阻值電阻,因而不需要選用大容量的電容器來實現超低頻的截止頻率。