如何在毫微功耗预算下进行精确测量，第 1 部分：毫微功耗运算放大器中的直流增益

1.前言

运算放大器(op amp)提高的精度和速度与其功耗的大小有直接关系。降低电流消耗会降低增益带宽；相反，降低偏移电压会增加电流消耗。

运算放大器电气特性之间的许多此类相互作用会相互影响。随着无线传感节点、物联网(IoT) 和楼宇自动化等应用对低功耗的需求日益增加，了解这些权衡对于确保以尽可能低的功耗实现最佳终端设备性能变得至关重要。在这个由两部分组成的博客文章系列的第一部分中，我将描述精密纳米功率运算放大器中直流增益的一些功率与性能之间的权衡。

2.直流增益

我们可能在学校还记得运算放大器的经典反相（图 1）和同相（图 2）增益配置。

图 1：反相运算放大器

图 2：放大器上的同相

这些配置导致反相和同相运算放大器闭环增益方程，分别为方程 1 和 2：

其中，ACL是闭环增益，RF是反馈电阻的值，R2是从负输入端子到信号（反相）或接地（同相）的电阻值。

这些方程提醒我们，直流增益基于电阻比，而不是电阻值。此外，“功率”定律和欧姆定律显示了电阻值与功耗之间的关系（公式 3）：

其中 P 是电阻器消耗的功率，V 是电阻器上的压降，I 是通过电阻器的电流。

对于毫微功率增益和分压器配置，公式 3 告诉我们，为了最小化功耗，我们需要最小化电阻器的电流消耗。公式 4 可帮助我们了解实现此目的的机制：

其中 R 是电阻值。

使用这些等式，我们可以看到我们必须选择大电阻值，以提供所需的增益，同时最大限度地降低功耗（以及功耗）。如果我们不将通过反馈路径的电流降至最低，我们将失去使用纳米功率运算放大器的优势。

一旦我们确定了哪些电阻值将满足我们的增益和功耗需求，我们就需要考虑其他一些会影响信号调节精度的运算放大器电气特性。将非理想运算放大器中固有的几个小的系统误差相加将得到总失调电压。电气特性，VOS, 被定义为运算放大器输入之间的有限偏移电压数，并描述在定义的偏置点处的这些误差。请注意，它并未在所有操作条件下描述这些错误。为此，我们必须考虑增益误差、偏置电流、电压噪声、共模抑制比 (CMRR)、电源抑制比 (PSRR) 和漂移。涵盖所有这些参数超出了本文的范围，但让我们更详细地了解VOS和漂移及其在纳米功率应用中的影响。

实际运算放大器在其输入端子上表现出VOS，这有时会在低频（接近直流）精密信号调理应用中成为一个问题。在电压增益配置中，失调电压会随着被调节的信号而增加，从而引入测量误差。此外，VOS的幅度可以随时间和温度（漂移）而变化。因此，在需要相当高分辨率测量的低频应用中，选择具有尽可能低漂移的精确 (VOS≤ 1mV) 运算放大器非常重要。

公式 5 计算最坏情况下的VOS随温度变化：

既然我已经介绍了理论，包括选择大电阻值来为低频应用创建增益比和运算放大器精度，我将介绍一个使用双引线电化学电池的实际示例。对于通常发出非常小的低频信号并用于各种便携式传感应用（如气体检测和血糖监测）的双引线电化学电池，请选择低频 (10kHz) 纳米功率运算放大器。

使用氧感测（见图 3）作为具体应用示例，假设传感器输出的最大浓度为 10mV（由制造商指定的负载电阻器从电流转换为电压，RL）和 op 的满量程输出放大器是 1V。使用公式 2，我们可以看到ACL需要为 100，或者RF需要比R2大 100 倍。分别选择 100MΩ 和 1MΩ 的值可以获得 101 的增益，这些电阻值足够大，可以限制电流并最大限度地降低功耗。

为了最大限度地减少失调误差，LPV821零漂移功率运算放大器是一个不错的选择。使用公式 5 并假设工作温度范围为 0°C 至 100°C，该器件引入的最坏情况失调误差将为：

另一个不错的选择是LPV811精密功率运算放大器。使用其数据表收集插入公式 5 的必要值，我们可以：

（请注意，LPV811 数据表没有指定最大失调电压漂移限制，因此我在这里使用的是典型值。）

如果我们改用像TVL8541这样的通用功率运算放大器，这些值将导致：

（TLV8541 数据表也没有指定最大失调电压漂移限制，所以我在这里再次使用了典型值。）

如我们所见，LPV821 运算放大器是此应用的最佳选择。凭借 650nA 的电流消耗，LPV821 可以感应氧传感器输出中低至 18µV 或更低的变化，并且引入的最大偏移增益误差仅为 2.3mV。当我们需要极高的精度和毫微功耗时，零漂移毫微功耗运算放大器将提供最佳性能。