如何在毫微功耗預(yù)算下進行精確測量，第 1 部分：毫微功耗運算放大器中的直流增益

1.前言

運算放大器(op amp)提高的精度和速度與其功耗的大小有直接關(guān)系。降低電流消耗會降低增益帶寬；相反，降低偏移電壓會增加電流消耗。

運算放大器電氣特性之間的許多此類相互作用會相互影響。隨著無線傳感節(jié)點、物聯(lián)網(wǎng)(IoT) 和樓宇自動化等應(yīng)用對低功耗的需求日益增加，了解這些權(quán)衡對于確保以盡可能低的功耗實現(xiàn)最佳終端設(shè)備性能變得至關(guān)重要。在這個由兩部分組成的博客文章系列的第一部分中，我將描述精密納米功率運算放大器中直流增益的一些功率與性能之間的權(quán)衡。

2.直流增益

我們可能在學(xué)校還記得運算放大器的經(jīng)典反相（圖 1）和同相（圖 2）增益配置。

圖 1：反相運算放大器

圖 2：放大器上的同相

這些配置導(dǎo)致反相和同相運算放大器閉環(huán)增益方程，分別為方程 1 和 2：

其中，  A CL是閉環(huán)增益，R F 是反饋電阻的值，R 2 是從負輸入端子到信號（反相）或接地（同相）的電阻值。

這些方程提醒我們，直流增益基于電阻比，而不是電阻值。此外，“功率”定律和歐姆定律顯示了電阻值與功耗之間的關(guān)系（公式 3）：

其中 P 是電阻器消耗的功率，V 是電阻器上的壓降，I 是通過電阻器的電流。

對于毫微功率增益和分壓器配置，公式 3 告訴我們，為了最小化功耗，我們需要最小化電阻器的電流消耗。公式 4 可幫助我們了解實現(xiàn)此目的的機制：

其中 R 是電阻值。

使用這些等式，我們可以看到我們必須選擇大電阻值，以提供所需的增益，同時最大限度地降低功耗（以及功耗）。如果我們不將通過反饋路徑的電流降至最低，我們將失去使用納米功率運算放大器的優(yōu)勢。

一旦我們確定了哪些電阻值將滿足我們的增益和功耗需求，我們就需要考慮其他一些會影響信號調(diào)節(jié)精度的運算放大器電氣特性。將非理想運算放大器中固有的幾個小的系統(tǒng)誤差相加將得到總失調(diào)電壓。電氣特性，V OS, 被定義為運算放大器輸入之間的有限偏移電壓數(shù)，并描述在定義的偏置點處的這些誤差。請注意，它并未在所有操作條件下描述這些錯誤。為此，我們必須考慮增益誤差、偏置電流、電壓噪聲、共模抑制比 (CMRR)、電源抑制比 (PSRR) 和漂移。涵蓋所有這些參數(shù)超出了本文的范圍，但讓我們 更詳細地了解V OS和漂移及其在納米功率應(yīng)用中的影響。

實際運算放大器 在其輸入端子上表現(xiàn)出V OS，這有時會在低頻（接近直流）精密信號調(diào)理應(yīng)用中成為一個問題。在電壓增益配置中，失調(diào)電壓會隨著被調(diào)節(jié)的信號而增加，從而引入測量誤差。此外，V OS的幅度 可以隨時間和溫度（漂移）而變化。因此，在需要相當(dāng)高分辨率測量的低頻應(yīng)用中，選擇具有 盡可能低漂移的精確 ( V OS ≤ 1mV) 運算放大器非常重要。

公式 5 計算最壞情況下的 V OS 隨溫度變化：

既然我已經(jīng)介紹了理論，包括選擇大電阻值來為低頻應(yīng)用創(chuàng)建增益比和運算放大器精度，我將介紹一個使用雙引線電化學(xué)電池的實際示例。對于通常發(fā)出非常小的低頻信號并用于各種便攜式傳感應(yīng)用（如氣體檢測和血糖監(jiān)測）的雙引線電化學(xué)電池，請選擇低頻 (<10kHz) 納米功率運算放大器。

使用氧感測（見圖 3）作為具體應(yīng)用示例，假設(shè)傳感器輸出的最大濃度為 10mV（由制造商指定的負載電阻器從電流轉(zhuǎn)換為電壓，R L）和 op 的滿量程輸出放大器是 1V。使用公式 2，我們可以看到A CL 需要為 100，或者R F 需要比R 2大 100 倍。分別選擇 100MΩ 和 1MΩ 的值可以獲得 101 的增益，這些電阻值足夠大，可以限制電流并最大限度地降低功耗。

為了最大限度地減少失調(diào)誤差，LPV821 零漂移功率運算放大器是一個不錯的選擇。使用公式 5 并假設(shè)工作溫度范圍為 0°C 至 100°C，該器件引入的最壞情況失調(diào)誤差將為：

另一個不錯的選擇是LPV811 精密功率運算放大器。使用其數(shù)據(jù)表收集插入公式 5 的必要值，我們可以：

（請注意，LPV811 數(shù)據(jù)表沒有指定最大失調(diào)電壓漂移限制，因此我在這里使用的是典型值。）

如果我們改用像TVL8541 這樣的通用功率運算放大器，這些值將導(dǎo)致：

（TLV8541 數(shù)據(jù)表也沒有指定最大失調(diào)電壓漂移限制，所以我在這里再次使用了典型值。）

如我們所見，LPV821 運算放大器是此應(yīng)用的最佳選擇。憑借 650nA 的電流消耗，LPV821 可以感應(yīng)氧傳感器輸出中低至 18μV 或更低的變化，并且引入的最大偏移增益誤差僅為 2.3mV。當(dāng)我們需要極高的精度和毫微功耗時，零漂移毫微功耗運算放大器將提供最佳性能。