運放設(shè)計經(jīng)驗： 如何以毫微功率預(yù)算實現(xiàn)精密測量

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。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：

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)：

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：

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：

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18?V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。[!--empirenews.page--]

第2部分：應(yīng)用毫微功耗運算放大器幫助電流感應(yīng)

第一部分，我們討論了直流增益中偏移電壓(VOS)和偏移電壓漂移(TCVOS)的結(jié)構(gòu)，以及如何選擇具有理想精確度的毫微功耗運算放大器(op amp)，從而使放大后低頻信號路徑中誤差最小化。在第二部分中，我們將回顧電流感應(yīng)的一些基礎(chǔ)知識，并介紹如何在提供精確讀數(shù)的同時，利用運算放大器來實現(xiàn)系統(tǒng)功耗最小化。

電流感應(yīng)

設(shè)計者通過將一個非常小的“分流”電阻串聯(lián)在負(fù)載上，在兩者之間設(shè)置一個電流感應(yīng)放大器或運算放大器，實現(xiàn)用于系統(tǒng)保護(hù)和監(jiān)測的電流感應(yīng)。雖然專用的電流感應(yīng)放大器能夠發(fā)揮十分出色的電流感應(yīng)作用，但如果特別注重功耗的情況下，精密的毫微功耗運算放大器則是理想的選擇。

有兩個位置可以根據(jù)負(fù)載放置分流電阻：負(fù)載與電源之間(圖1)，或者負(fù)載與接地之間(圖2)。

圖1：高側(cè)電流感應(yīng)

圖2：低側(cè)電流感應(yīng)

在這兩種情況下，為了利用已知阻值的電阻來感應(yīng)電流，通過運算放大器來測量分流電阻兩端的電壓。運用歐姆定律(公式1)，可以確定電流消耗：

其中 V 表示電壓，I 表示電流，R 表示電阻。

選擇分流電阻和運算放大器，這樣它們對電路的性能影響最小。在選擇電阻時，根據(jù)以下兩個條件選用低值電阻：

盡量將電阻兩端的壓降保持在低水平，使負(fù)載的負(fù)極在低側(cè)感應(yīng)時盡可能靠近接地，或者在高側(cè)感應(yīng)時盡可能靠近電源。

保持低功耗。從公式2可以看出，由于你要測量的是電流，因此它是一個自變量，所以電阻應(yīng)盡可能小：

這里要說明一點：由于你要測量電流而不是讓電流最小化(如我再第一部分中所做的)，所以你必須將電阻值最小化，才能讓功耗最小化—這與DC增益配置中功耗管理的思路相反。

超低功耗電流測量技術(shù)廣泛應(yīng)用于移動電源、手機(jī)等終端設(shè)備的電池充電和監(jiān)測，也可以用于保證工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的正常運行。

那么在選擇電阻值時，可以壓到多低呢?簡單地說，電阻兩端的壓降應(yīng)當(dāng)大于你所用運算放大器的偏移電壓。

示例

假設(shè)你要進(jìn)行低側(cè)差動電流測量(圖3)，以確保系統(tǒng)中不存在短路和開路。為了簡易起見，本示例選用簡單的數(shù)字，忽略諸如電阻容差之類的參數(shù)。

圖3：低側(cè)差動電流測量

電源電壓為3.3V。在正確操作的情況下，系統(tǒng)得出最大電流值為10mA;你不想要有效接地，使負(fù)載高于100?V。你首先要明白一點，分流電阻的壓降(由于電流)必須小于或等于100?V。

如果你使用公式3來確定最大分流電阻：

則有效接地為100?V，如公式4所示：

您必須選用運算放大器，它能夠檢測到這種壓降的變化，表明是否存在故障。由于系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時，負(fù)載電流在其典型值±10%范圍內(nèi)。當(dāng)電流變化至少10%時，運算放大器就可以檢測出感應(yīng)電阻兩端的電壓變化。

如果存在故障(如：開路，低電流導(dǎo)致的欠壓，高電流導(dǎo)致的短路或掉電)，公式5表示電流的變化(IΔ)：

公式6計算出VSHUNT壓降的變化：

在這個例子中，我會選擇LPV821零漂移毫微功耗放大器。其零漂移技術(shù)可實現(xiàn)僅10?V的最大偏移電壓，從而檢測到故障情況。零漂移運算放大器是高精度(<100?V)測量的理想選擇。此外，LPV821也是一種毫微功耗放大器，你可以讓它一直處于開啟狀態(tài)，持續(xù)準(zhǔn)確地感測電流，對系統(tǒng)功率預(yù)算的影響很小。