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運(yùn)算放大器:高精度和高速度為何能影響功耗的量級(jí)?

發(fā)布時(shí)間:2018-03-06 來(lái)源:電子設(shè)計(jì) 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】運(yùn)算放大器(op amp)的高精度和高速度直接影響著功耗的量級(jí)。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(yùn)算放大器的許多電子特性相互作用,相互影響。由于市場(chǎng)對(duì)低功耗應(yīng)用的需求逐漸增大,如無(wú)線感應(yīng)節(jié)點(diǎn)、 物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 和樓宇自動(dòng)化,因此為確保同時(shí)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(yùn)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(yùn)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(yùn)算放大器
 
 
圖2:非反相運(yùn)算放大器
 
根據(jù)這些配置可分別得出反相和非反相運(yùn)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(hào)(反相)或接地(非反相)的電阻值。
 
這些等式說(shuō)明直流增益與電阻比有關(guān),與電阻值無(wú)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(duì)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(yùn)算放大器就沒(méi)有任何優(yōu)勢(shì)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(yùn)算放大器信號(hào)調(diào)節(jié)精度的電子特性。統(tǒng)計(jì)非理想運(yùn)算放大器固有的幾個(gè)系統(tǒng)性小錯(cuò)誤,你將會(huì)得出總偏移電壓。電子特性——V_OS被定義為運(yùn)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(diǎn)的錯(cuò)誤。請(qǐng)注意,并未記錄所有運(yùn)算情況下的錯(cuò)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(wú)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(duì)毫微功率應(yīng)用的影響。
 
實(shí)際上,運(yùn)算放大器通過(guò)輸入端展示V_OS,但有時(shí)在低頻(近似直流)精密信號(hào)調(diào)節(jié)應(yīng)用中則可能是一個(gè)問(wèn)題。 在電壓增益環(huán)節(jié),隨著信號(hào)被調(diào)節(jié),偏移電壓將上升,產(chǎn)生測(cè)量誤差。此外,V_OS的大小隨著時(shí)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(cè)量方式,選擇一款配備最低漂移的精密 (V_OS ≤ 1mV)運(yùn)算放大器非常重要。
 
等式5計(jì)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(yùn)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(lái)做出實(shí)例解釋。兩引線電化電池常發(fā)出低頻的小信號(hào),用在各種便攜式感應(yīng)設(shè)備上,如氣體檢測(cè)儀、血糖監(jiān)測(cè)儀等,選擇一款低頻(<10kHz) 毫微功耗運(yùn)算放大器。
 
用氧氣傳感(見(jiàn)圖 3) 作為具體的應(yīng)用實(shí)例,假設(shè)感應(yīng)器的最大輸出電壓為10mV(通過(guò)制造商指定的負(fù)載電阻將電流轉(zhuǎn)換成電壓R_L) ,則運(yùn)算放大器的滿量程輸出電壓為1V。通過(guò)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(yùn)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(yùn)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(qǐng)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(yùn)算放大器取代,如TLV8541 ,相關(guān)值變化會(huì)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(jiàn),LPV821運(yùn)算放大器是這個(gè)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(shí)滿足極高精密性和毫微功耗,零偏移毫微功耗運(yùn)算放大器將是你的最佳選擇。


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