微功率運算放大器在便攜式設備中的應用

    微功率運算放大器延長了電池供電型系統(tǒng)的運行時間，并降低了其它能量受限型系統(tǒng)的能耗。然而，電池的電壓會隨著其電量的消耗而發(fā)生變化。為了最大限度地延長系統(tǒng)的運行時間，運算放大器應在一個足夠寬的電源范圍內運作，以充分利用完整的電池電壓范圍(從完全充滿到完全耗盡)。新型LT6000系列1μA和13μA運算放大器可在高達16V到低至1.8V的電源電壓范圍內正常工作，并且在整個溫度范圍內得到保證。 

　　NiMH電池和堿性電池

　　NiMH電池具有1.2V的標稱電壓，但當該電壓隨著電池電量的消耗而降至0.9V以下時，將會出現(xiàn)迅速下降。LT6000系列運算放大器直接采用兩節(jié)串聯(lián)NiMH電池作為工作電源，充分利用了其完整的充放電周期。同樣，堿性電池具有1.5V的標稱電壓，但能夠在電池電壓因電量消耗而降至幾百毫伏的條件下輸送能量。因此，LT6000可在采用兩節(jié)串聯(lián)堿性電池的情況下良好地運作，而且也能夠在直接采用9V堿性電池(6節(jié)串聯(lián))作為工作電源，工作電壓范圍為滿充電到電量極度消耗狀態(tài)(對于1.8V的總電源電壓，平均電池電壓為300mV)。誠然，其它的低電壓運算放大器也可在該電池電壓范圍的耗盡端運作，不過在這些運算放大器中，同時還能夠容許使用一個9V電源的就寥寥無幾了。

　　電源友好性

　　某些微功率運算放大器具有惱人的特性，例如：在啟動或當輸出電壓達到某個電源軌時會吸收過大的電流(通常被稱為“胡羅卜”)。由于這些形似“胡羅卜”的電流尖峰將加快電池的放電，因而使得微功率操作的目的化為泡影。更加糟糕的是，在采用一個電流受限電源的場合，它們有可能共同作用而阻止電源的上電操作，從而實際上造成了系統(tǒng)的急劇放電。圖1示出了不同溫度條件下LT6000和LT6003電源電流與施加的電源電壓的關系曲線。LT6000系列消除了狀如“胡羅卜”的電流尖峰，或者至少將它們削減到了“根部”。 



　　便攜式氣體傳感器

　　圖2示出了將LT6003用作一個氧氣檢測放大器時的情形。氧氣傳感器的作用非常類似于一個氣動電池，并在一個大氣壓力的新鮮空氣(氧氣含量為20.9%)中產生了100μA的電流。它是專為向一個100Ω電阻器提供工作電流而設計的，以獲得一個10mV的全標度讀數(shù)。如圖所示，這款運算放大器以一個數(shù)值為100(實際上是101)的增益對該電壓進行放大，以獲得一個1V的全標度輸出。就適合人類居住的氧氣濃度環(huán)境監(jiān)視而言，18%的氧氣含量將轉換為一個0.86V的輸出電壓。低于該值的氧氣含量被認為是危險的。肺部脫氧將導致人類立即失去知覺，這與屏息毫無相似之處。該電路的總電源電流為950nA。室溫條件下的500μV最壞情況輸入失調電壓將在輸出讀數(shù)中造成一個50mV的誤差。



　　通過實現(xiàn)一種如圖3所示的跨阻抗方法，將能夠獲得更加優(yōu)越的低值準確度。運算放大器A1提供了一個緩沖基準電壓，因此在降至零含氧量環(huán)境的整個過程中電路都是準確(在地電位處不會發(fā)生限幅)。運算放大器A2通過反饋電阻器RF提供了電流至電壓轉換功能。如同制造商規(guī)定的那樣，傳感器仍然承受100Ω終端。在常壓下，輸出電壓依然為1V，但應注意的是，噪聲增益并不遠遠大于1，因此，此時由于失調所導致的輸出誤差為500μV(最壞情況值)，而不是采用前一種電路時的50mV。準確度的大幅度改善要求在電源電流中付出一些代價，因為氧氣傳感器電流現(xiàn)在是由運算放大器輸出通過RF回饋的，而該電流必需取自電源。于是，電源電流和氧氣的存在與否有關。盡管如此，該解決方案仍然能夠在監(jiān)視無氧環(huán)境(例如：食品貯存環(huán)境以及那些專為阻燃而設計的環(huán)境)時實現(xiàn)超低功耗。當便式傳感器所檢測的物質不是氧氣，而是某種對人體有害的物質時，它也是理想的選擇，這種物質通常并不存在，因此電流一般很低。



　　結論

　　LT6000和LT6003系列運算放大器可在一個寬電源范圍內(從18V一直到低至1.8V)實現(xiàn)13μA和1μA的微功率操作，并在整個溫度范圍內得到保證。在設計階段采取了謹慎的方案，旨在最大限度地減小諸如形似“胡羅卜”的電源電流尖峰等困局。它們非常適合于最大限度地延長便攜式應用中的電池使用壽命，并可在各種電池充電水平和環(huán)境中運作。