第1部分：毫微功耗運算放大器的直流增益

運算放大器(op amp)的高精度和高速度直接影響著功耗的量級。電流消耗降低則增益帶寬減少;相反，偏移電壓降低則電流消耗增大。

運算放大器的許多電子特性相互作用，相互影響。由于市場對低功耗應(yīng)用的需求逐漸增大，如無線感應(yīng)節(jié)點、 物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 和樓宇自動化，因此為確保同時滿足終端設(shè)備性能優(yōu)化及功耗盡可能低，了解各電子特性間的平衡至關(guān)重要。此系列博文包含三部分，在第一部分中，我將介紹在毫微功率精密運算放大器中關(guān)于直流增益的功率與性能表現(xiàn)的平衡。

直流增益

你也許還記得，在學(xué)校中學(xué)到的運算放大器的典型反相(如圖1)和非反向(如圖2)增益配置。

圖1：反相運算放大器

圖2：非反相運算放大器

根據(jù)這些配置可分別得出反相和非反相運算放大器閉環(huán)增益等式，等式1和等式2：

 (1)

 (2)

等式中A_CL是閉環(huán)增益，R_F 是反饋電阻值，而R_2 是從負(fù)輸入端到信號(反相)或接地(非反相)的電阻值。

這些等式說明直流增益與電阻比有關(guān)，與電阻值無關(guān)。另外，“功率”定律和歐姆定律顯示了電阻值和消耗功率兩者之間的關(guān)系(等式3)：

 (3)

P是電阻消耗的功率，V是電阻的壓降，I是流經(jīng)電阻的電流。

對毫微功耗增益和分壓器配置而言，Equation 3顯示，流經(jīng)電阻的電流消耗最小，則消耗功率最小。Equation 4有助于你了解該原理：

 (4)

R是電阻值。

根據(jù)這些等式，可以看出你必須選擇既可以提供增益又可以使消耗功率(也稱功耗)最小化的大電阻值。如果不能使流經(jīng)反饋通道的電流最小化，那么使用毫微功耗運算放大器就沒有任何優(yōu)勢可言。

一旦選定可以滿足增益和功耗需求的電阻值后，你還需要考慮其它影響運算放大器信號調(diào)節(jié)精度的電子特性。統(tǒng)計非理想運算放大器固有的幾個系統(tǒng)性小錯誤，你將會得出總偏移電壓。電子特性——V_OS被定義為運算放大器輸入端之間的有限偏移電壓，并且描述了特定偏置點的錯誤。請注意，并未記錄所有運算情況下的錯誤。為此，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。本博文無法全面討論涉及的所有參數(shù)，我們將詳細(xì)討論一下 V_OS 和漂移，以及這兩者對毫微功率應(yīng)用的影響。

實際上，運算放大器通過輸入端展示V_OS，但有時在低頻(近似直流)精密信號調(diào)節(jié)應(yīng)用中則可能是一個問題。 在電壓增益環(huán)節(jié)，隨著信號被調(diào)節(jié)，偏移電壓將上升，產(chǎn)生測量誤差。此外，V_OS的大小隨著時間和溫度(漂移)而變化。因此，低頻應(yīng)用需要相當(dāng)高分辨率的測量方式，選擇一款配備最低漂移的精密 (V_OS ≤ 1mV)運算放大器非常重要。

等式5計算了與溫度相關(guān)的最大V_OS：

 (5)

我已經(jīng)介紹了理論部分，如：為低頻應(yīng)用選擇可以提高增益比和運算放大器精度的大電阻值，現(xiàn)在我將用兩引線電化電池來做出實例解釋。兩引線電化電池常發(fā)出低頻的小信號，用在各種便攜式感應(yīng)設(shè)備上，如氣體檢測儀、血糖監(jiān)測儀等，選擇一款低頻(<10kHz) 毫微功耗運算放大器。

用氧氣傳感(見圖 3) 作為具體的應(yīng)用實例，假設(shè)感應(yīng)器的最大輸出電壓為10mV(通過制造商指定的負(fù)載電阻將電流轉(zhuǎn)換成電壓R_L) ，則運算放大器的滿量程輸出電壓為1V。通過Equation 2，可以看出 A_CL 的值需要為100，或者R_F是R_2的100倍。分別選擇100MΩ電阻和1MΩ電阻，得出增益值為101，且電阻值足夠大到可以限制電流并最小化功耗。

圖3：氧氣傳感器

為最小化偏移誤差，LPV821零漂移毫微功耗運算放大器是一款理想器件。 使用Equation 5并假設(shè)操作溫度范圍為0°C—100°C，該器件產(chǎn)生的最大偏移誤差為：

另一款理想的器件是LPV811精密毫微功耗運算放大器。從其數(shù)據(jù)表收集必要數(shù)值插入等式5可以得出：

(請注意，LPV811數(shù)據(jù)表未指明偏移電壓偏移的最大上限，因此在此處使用典型值)。

如果使用通用的毫微功耗運算放大器取代，如TLV8541 ，相關(guān)值變化會得出：

(TLV8541數(shù)據(jù)表未指明偏移電壓偏移的最大上限，因此在此處仍使用典型值)。

如你所見，LPV821運算放大器是這個應(yīng)用的理想選擇。電流消耗為650nA的LPV821可以感應(yīng)到氧氣傳感器輸出電壓低至18µV或更低的變化，并只有2.3mV的最大偏移增益誤差。如果需要同時滿足極高精密性和毫微功耗，零偏移毫微功耗運算放大器將是你的最佳選擇。

感謝你閱讀“如何通過毫微功耗運算放大器實現(xiàn)精密測量”系列的第一部分。在第二部分中，我將討論超精密微功耗運算放大器如何助力電流感應(yīng)應(yīng)用。