毫微功耗运算放大器的直流增益
eeskill 2022-01-06

第1部分:毫微功耗运算放大器的直流增益

运算放大器(op amp)的高精度和高速度直接影响着功耗的量级。电流消耗降低则增益带宽减少;相反,偏移电压降低则电流消耗增大。

运算放大器的许多电子特性相互作用,相互影响。由于市场对低功耗应用的需求逐渐增大,如无线感应节点、 物联网(IoT) 和楼宇自动化,因此为确保同时满足终端设备性能优化及功耗尽可能低,了解各电子特性间的平衡至关重要。在第一部分中,我将介绍在毫微功率精密运算放大器中关于直流增益的功率与性能表现的平衡。

直流增益

你也许还记得,在学校中学到的运算放大器的典型反相(如图1)和非反向(如图2)增益配置。

图1:反相运算放大器

图2:非反相运算放大器

根据这些配置可分别得出反相和非反相运算放大器闭环增益等式,等式1和等式2:

等式中A_CL是闭环增益,R_F 是反馈电阻值,而R_2 是从负输入端到信号(反相)或接地(非反相)的电阻值。

这些等式说明直流增益与电阻比有关,与电阻值无关。另外,“功率”定律和欧姆定律显示了电阻值和消耗功率两者之间的关系(等式3):

P是电阻消耗的功率,V是电阻的压降,I是流经电阻的电流。

对毫微功耗增益和分压器配置而言,Equation 3显示,流经电阻的电流消耗最小,则消耗功率最小。Equation 4有助于你了解该原理:

R是电阻值。

根据这些等式,可以看出你必须选择既可以提供增益又可以使消耗功率(也称功耗)最小化的大电阻值。如果不能使流经反馈通道的电流最小化,那么使用毫微功耗运算放大器就没有任何优势可言。

一旦选定可以满足增益和功耗需求的电阻值后,你还需要考虑其它影响运算放大器信号调节精度的电子特性。统计非理想运算放大器固有的几个系统性小错误,你将会得出总偏移电压。电子特性——V_OS被定义为运算放大器输入端之间的有限偏移电压,并且描述了特定偏置点的错误。请注意,并未记录所有运算情况下的错误。为此,必须考虑增益误差、偏置电流、电压噪声、共模抑制比(CMRR)、电源抑制比(PSRR) 和漂移。本博文无法全面讨论涉及的所有参数,我们将详细讨论一下 V_OS 和漂移,以及这两者对毫微功率应用的影响。

实际上,运算放大器通过输入端展示V_OS,但有时在低频(近似直流)精密信号调节应用中则可能是一个问题。 在电压增益环节,随着信号被调节,偏移电压将上升,产生测量误差。此外,V_OS的大小随着时间和温度(漂移)而变化。因此,低频应用需要相当高分辨率的测量方式,选择一款配备最低漂移的精密 (V_OS ≤ 1mV)运算放大器非常重要。

等式5计算了与温度相关的最大V_OS:

我已经介绍了理论部分,如:为低频应用选择可以提高增益比和运算放大器精度的大电阻值,现在我将用两引线电化电池来做出实例解释。两引线电化电池常发出低频的小信号,用在各种便携式感应设备上,如气体检测仪、血糖监测仪等,选择一款低频(<10kHz) 毫微功耗运算放大器。

用氧气传感(见图 3) 作为具体的应用实例,假设感应器的最大输出电压为10mV(通过制造商指定的负载电阻将电流转换成电压R_L) ,则运算放大器的满量程输出电压为1V。通过Equation 2,可以看出 A_CL 的值需要为100,或者R_F是R_2的100倍。分别选择100MΩ电阻和1MΩ电阻,得出增益值为101,且电阻值足够大到可以限制电流并最小化功耗。

图3:氧气传感器

为最小化偏移误差,LPV821零漂移毫微功耗运算放大器是一款理想器件。 使用Equation 5并假设操作温度范围为0°C—100°C,该器件产生的最大偏移误差为:

另一款理想的器件是LPV811精密毫微功耗运算放大器。从其数据表收集必要数值插入等式5可以得出:

(请注意,LPV811数据表未指明偏移电压偏移的最大上限,因此在此处使用典型值)。

如果使用通用的毫微功耗运算放大器取代,如TLV8541 ,相关值变化会得出:

(TLV8541数据表未指明偏移电压偏移的最大上限,因此在此处仍使用典型值)。

如你所见,LPV821运算放大器是这个应用的理想选择。电流消耗为650nA的LPV821可以感应到氧气传感器输出电压低至18?V或更低的变化,并只有2.3mV的最大偏移增益误差。如果需要同时满足极高精密性和毫微功耗,零偏移毫微功耗运算放大器将是你的最佳选择。

第2部分:应用毫微功耗运算放大器帮助电流感应

第一部分,我们讨论了直流增益中偏移电压(VOS)和偏移电压漂移(TCVOS)的结构,以及如何选择具有理想精确度的毫微功耗运算放大器(op amp),从而使放大后低频信号路径中误差最小化。在第二部分中,我们将回顾电流感应的一些基础知识,并介绍如何在提供精确读数的同时,利用运算放大器来实现系统功耗最小化。

电流感应

设计者通过将一个非常小的“分流”电阻串联在负载上,在两者之间设置一个电流感应放大器或运算放大器,实现用于系统保护和监测的电流感应。虽然专用的电流感应放大器能够发挥十分出色的电流感应作用,但如果特别注重功耗的情况下,精密的毫微功耗运算放大器则是理想的选择。

有两个位置可以根据负载放置分流电阻:负载与电源之间(图1),或者负载与接地之间(图2)。

图1:高侧电流感应

图2:低侧电流感应

在这两种情况下,为了利用已知阻值的电阻来感应电流,通过运算放大器来测量分流电阻两端的电压。运用欧姆定律(公式1),可以确定电流消耗:

其中 V 表示电压,I 表示电流,R 表示电阻。

选择分流电阻和运算放大器,这样它们对电路的性能影响最小。在选择电阻时,根据以下两个条件选用低值电阻:

尽量将电阻两端的压降保持在低水平,使负载的负极在低侧感应时尽可能靠近接地,或者在高侧感应时尽可能靠近电源。

保持低功耗。从公式2可以看出,由于你要测量的是电流,因此它是一个自变量,所以电阻应尽可能小:

这里要说明一点:由于你要测量电流而不是让电流最小化(如我再第一部分中所做的),所以你必须将电阻值最小化,才能让功耗最小化—这与DC增益配置中功耗管理的思路相反。

超低功耗电流测量技术广泛应用于移动电源、手机等终端设备的电池充电和监测,也可以用于保证工业物联网应用的正常运行。

那么在选择电阻值时,可以压到多低呢?简单地说,电阻两端的压降应当大于你所用运算放大器的偏移电压。

示例

假设你要进行低侧差动电流测量(图3),以确保系统中不存在短路和开路。为了简易起见,本示例选用简单的数字,忽略诸如电阻容差之类的参数。

图3:低侧差动电流测量

电源电压为3.3V。在正确操作的情况下,系统得出最大电流值为10mA;你不想要有效接地,使负载高于100?V。你首先要明白一点,分流电阻的压降(由于电流)必须小于或等于100?V。

如果你使用公式3来确定最大分流电阻:

则有效接地为100?V,如公式4所示:

您必须选用运算放大器,它能够检测到这种压降的变化,表明是否存在故障。由于系统处于正常工作状态时,负载电流在其典型值±10%范围内。当电流变化至少10%时,运算放大器就可以检测出感应电阻两端的电压变化。

如果存在故障(如:开路,低电流导致的欠压,高电流导致的短路或掉电),公式5表示电流的变化(IΔ):

公式6计算出VSHUNT压降的变化:

在这个例子中,我会选择LPV821零漂移毫微功耗放大器。其零漂移技术可实现仅10?V的最大偏移电压,从而检测到故障情况。零漂移运算放大器是高精度(<100?V)测量的理想选择。此外,LPV821也是一种毫微功耗放大器,你可以让它一直处于开启状态,持续准确地感测电流,对系统功率预算的影响很小。

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