如何以毫微功率預(yù)算實(shí)現(xiàn)精密測(cè)量（1）：毫微功耗運(yùn)算放大器的直流增益

第1部分：毫微功耗運(yùn)算放大器的直流增益

Gen Vansteeg - 2017年12月6日

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。

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：

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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(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。

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，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。

感謝你閱讀“如何通過毫微功耗運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)精密測(cè)量”系列的第一部分。在第二部分中，我將討論超精密微功耗運(yùn)算放大器如何助力電流感應(yīng)應(yīng)用。