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

1.前言

運(yùn)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(huì)降低增益帶寬；相反，降低偏移電壓會(huì)增加電流消耗。

運(yùn)算放大器電氣特性之間的許多此類相互作用會(huì)相互影響。隨著無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)、物聯(lián)網(wǎng)(IoT) 和樓宇自動(dòng)化等應(yīng)用對(duì)低功耗的需求日益增加，了解這些權(quán)衡對(duì)于確保以盡可能低的功耗實(shí)現(xiàn)最佳終端設(shè)備性能變得至關(guān)重要。在這個(gè)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(fù)輸入端子到信號(hào)（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(guò)電阻器的電流。

對(duì)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(shí)現(xiàn)此目的的機(jī)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(shí)最大限度地降低功耗（以及功耗）。如果我們不將通過(guò)反饋路徑的電流降至最低，我們將失去使用納米功率運(yùn)算放大器的優(yōu)勢(shì)。

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(huì)影響信號(hào)調(diào)節(jié)精度的運(yùn)算放大器電氣特性。將非理想運(yùn)算放大器中固有的幾個(gè)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(yùn)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(diǎn)處的這些誤差。請(qǐng)注意，它并未在所有操作條件下描述這些錯(cuò)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(xì)地了解V OS和漂移及其在納米功率應(yīng)用中的影響。

實(shí)際運(yùn)算放大器 在其輸入端子上表現(xiàn)出V OS，這有時(shí)會(huì)在低頻（接近直流）精密信號(hào)調(diào)理應(yīng)用中成為一個(gè)問(wèn)題。在電壓增益配置中，失調(diào)電壓會(huì)隨著被調(diào)節(jié)的信號(hào)而增加，從而引入測(cè)量誤差。此外，V OS的幅度 可以隨時(shí)間和溫度（漂移）而變化。因此，在需要相當(dāng)高分辨率測(cè)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(yùn)算放大器非常重要。

公式 5 計(jì)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(lái)為低頻應(yīng)用創(chuàng)建增益比和運(yùn)算放大器精度，我將介紹一個(gè)使用雙引線電化學(xué)電池的實(shí)際示例。對(duì)于通常發(fā)出非常小的低頻信號(hào)并用于各種便攜式傳感應(yīng)用（如氣體檢測(cè)和血糖監(jiān)測(cè)）的雙引線電化學(xué)電池，請(qǐng)選擇低頻 (<10kHz) 納米功率運(yùn)算放大器。

使用氧感測(cè)（見(jiàn)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(fù)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(yùn)算放大器是一個(gè)不錯(cuò)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(gè)不錯(cuò)的選擇是LPV811 精密功率運(yùn)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(qǐng)注意，LPV811 數(shù)據(jù)表沒(méi)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(yùn)算放大器，這些值將導(dǎo)致：

（TLV8541 數(shù)據(jù)表也沒(méi)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(jiàn)，LPV821 運(yùn)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(shí)，零漂移毫微功耗運(yùn)算放大器將提供最佳性能。