微功率運(yùn)算放大器在便攜式設(shè)備中的應(yīng)用

微功率運(yùn)算放大器延長了電池供電型系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間，并降低了其它能量受限型系統(tǒng)的能耗。然而，電池的電壓會(huì)隨著其電量的消耗而發(fā)生變化。為了最大限度地延長系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間，運(yùn)算放大器應(yīng)在一個(gè)足夠?qū)挼碾娫捶秶鷥?nèi)運(yùn)作，以充分利用完整的電池電壓范圍(從完全充滿到完全耗盡)。新型LT6000系列1μA和13μA運(yùn)算放大器可在高達(dá)16V到低至1.8V的電源電壓范圍內(nèi)正常工作，并且在整個(gè)溫度范圍內(nèi)得到保證。

NiMH電池和堿性電池

NiMH電池具有1.2V的標(biāo)稱電壓，但當(dāng)該電壓隨著電池電量的消耗而降至0.9V以下時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)迅速下降。LT6000系列運(yùn)算放大器直接采用兩節(jié)串聯(lián)NiMH電池作為工作電源，充分利用了其完整的充放電周期。同樣，堿性電池具有1.5V的標(biāo)稱電壓，但能夠在電池電壓因電量消耗而降至幾百毫伏的條件下輸送能量。因此，LT6000可在采用兩節(jié)串聯(lián)堿性電池的情況下良好地運(yùn)作，而且也能夠在直接采用9V堿性電池(6節(jié)串聯(lián))作為工作電源，工作電壓范圍為滿充電到電量極度消耗狀態(tài)(對(duì)于1.8V的總電源電壓，平均電池電壓為300mV)。誠然，其它的低電壓運(yùn)算放大器也可在該電池電壓范圍的耗盡端運(yùn)作，不過在這些運(yùn)算放大器中，同時(shí)還能夠容許使用一個(gè)9V電源的就寥寥無幾了。

電源友好性

某些微功率運(yùn)算放大器具有惱人的特性，例如：在啟動(dòng)或當(dāng)輸出電壓達(dá)到某個(gè)電源軌時(shí)會(huì)吸收過大的電流(通常被稱為“胡羅卜”)。由于這些形似“胡羅卜”的電流尖峰將加快電池的放電，因而使得微功率操作的目的化為泡影。更加糟糕的是，在采用一個(gè)電流受限電源的場(chǎng)合，它們有可能共同作用而阻止電源的上電操作，從而實(shí)際上造成了系統(tǒng)的急劇放電。圖1示出了不同溫度條件下LT6000和LT6003電源電流與施加的電源電壓的關(guān)系曲線。LT6000系列消除了狀如“胡羅卜”的電流尖峰，或者至少將它們削減到了“根部”。

便攜式氣體傳感器

圖2示出了將LT6003用作一個(gè)氧氣檢測(cè)放大器時(shí)的情形。氧氣傳感器的作用非常類似于一個(gè)氣動(dòng)電池，并在一個(gè)大氣壓力的新鮮空氣(氧氣含量為20.9%)中產(chǎn)生了100μA的電流。它是專為向一個(gè)100Ω電阻器提供工作電流而設(shè)計(jì)的，以獲得一個(gè)10mV的全標(biāo)度讀數(shù)。如圖所示，這款運(yùn)算放大器以一個(gè)數(shù)值為100(實(shí)際上是101)的增益對(duì)該電壓進(jìn)行放大，以獲得一個(gè)1V的全標(biāo)度輸出。就適合人類居住的氧氣濃度環(huán)境監(jiān)視而言，18%的氧氣含量將轉(zhuǎn)換為一個(gè)0.86V的輸出電壓。低于該值的氧氣含量被認(rèn)為是危險(xiǎn)的。肺部脫氧將導(dǎo)致人類立即失去知覺，這與屏息毫無相似之處。該電路的總電源電流為950nA。室溫條件下的500μV最壞情況輸入失調(diào)電壓將在輸出讀數(shù)中造成一個(gè)50mV的誤差。

通過實(shí)現(xiàn)一種如圖3所示的跨阻抗方法，將能夠獲得更加優(yōu)越的低值準(zhǔn)確度。運(yùn)算放大器A1提供了一個(gè)緩沖基準(zhǔn)電壓，因此在降至零含氧量環(huán)境的整個(gè)過程中電路都是準(zhǔn)確(在地電位處不會(huì)發(fā)生限幅)。運(yùn)算放大器A2通過反饋電阻器RF提供了電流至電壓轉(zhuǎn)換功能。如同制造商規(guī)定的那樣，傳感器仍然承受100Ω終端。在常壓下，輸出電壓依然為1V，但應(yīng)注意的是，噪聲增益并不遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1，因此，此時(shí)由于失調(diào)所導(dǎo)致的輸出誤差為500μV(最壞情況值)，而不是采用

前一種電路時(shí)的50mV。準(zhǔn)確度的大幅度改善要求在電源電流中付出一些代價(jià)，因?yàn)檠鯕鈧鞲衅麟娏鳜F(xiàn)在是由運(yùn)算放大器輸出通過RF回饋的，而該電流必需取自電源。于是，電源電流和氧氣的存在與否有關(guān)。盡管如此，該解決方案仍然能夠在監(jiān)視無氧環(huán)境(例如：食品貯存環(huán)境以及那些專為阻燃而設(shè)計(jì)的環(huán)境)時(shí)實(shí)現(xiàn)超低功耗。當(dāng)便式傳感器所檢測(cè)的物質(zhì)不是氧氣，而是某種對(duì)人體有害的物質(zhì)時(shí)，它也是理想的選擇，這種物質(zhì)通常并不存在，因此電流一般很低。

結(jié)論

LT6000和LT6003系列運(yùn)算放大器可在一個(gè)寬電源范圍內(nèi)(從18V一直到低至1.8V)實(shí)現(xiàn)13μA和1μA的微功率操作，并在整個(gè)溫度范圍內(nèi)得到保證。在設(shè)計(jì)階段采取了謹(jǐn)慎的方案，旨在最大限度地減小諸如形似“胡羅卜”的電源電流尖峰等困局。它們非常適合于最大限度地延長便攜式應(yīng)用中的電池使用壽命，并可在各種電池充電水平和環(huán)境中運(yùn)作。

作者：Glen Brisebois，凌力爾特公司