極低電壓、微功率放大器

便攜式醫(yī)療監(jiān)測(cè)儀器、助聽器和安全監(jiān)測(cè)設(shè)備都是必須使用電池運(yùn)行并持續(xù)運(yùn)行很長(zhǎng)時(shí)間的產(chǎn)品示例。由于尺寸限制，可用功率在電源電壓和電流方面受到嚴(yán)重限制。

這些應(yīng)用的放大器必須在這些低電壓下工作，并且消耗的電流非常小。此外，它們的輸入和輸出信號(hào)范圍應(yīng)盡可能寬，以獲得足夠的動(dòng)態(tài)范圍（滿量程信噪比）。最好的器件的輸出電壓可以從正電源擺動(dòng)到地，輸入范圍甚至可以超過(guò)電源范圍。能夠達(dá)到兩個(gè)電源“軌”的放大器稱為軌到軌放大器。

要為這些應(yīng)用選擇放大器，首先要考慮所需的性能，而不是制造工藝。低功耗產(chǎn)品采用CMOS、雙極性和JFET工藝，但您不應(yīng)先入為主地看待每種產(chǎn)品的性能范圍。

直到最近，CMOS低壓設(shè)計(jì)還不適用于精密低壓操作。CMOS工藝具有相對(duì)較高的閾值電壓，范圍為1.8至2.1伏。由于大多數(shù)放大器設(shè)計(jì)至少需要兩個(gè)V千s工作時(shí)，即使在室溫下，最低電源電壓也> 3 V。

雙極性設(shè)計(jì)，如CMOS，至少需要兩個(gè)晶體管壓降;但這些滴是V是s，因此在 1.8 伏電壓下操作非常實(shí)用。OP293*雙通道運(yùn)算放大器等放大器保證工作電壓為2 V，工作電壓低至1.7 V。但是，必須注意確保在低溫下保持功能，因?yàn)?V是隨著溫度的降低而增加（約-2 mV/°C）。因此，在-25°C下工作將需要超出最小室溫工作電壓的額外100 mV或更多裕量。

目前，沒(méi)有同時(shí)具有軌到軌輸入和輸出的JFET運(yùn)算放大器;AD820系列的軌到軌輸出最接近。JFET運(yùn)算放大器在需要低噪聲、低偏置電流或?qū)拵挼膽?yīng)用中非常有利。

微功耗設(shè)計(jì)的局限性：與標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器相比，低電流放大器在帶寬、輸出驅(qū)動(dòng)和噪聲水平方面相對(duì)有限。每個(gè)參數(shù)的值取決于設(shè)計(jì)過(guò)程中可用的技術(shù)。如今，微功率放大器可以實(shí)現(xiàn)10 kHz/μA的速度/功率比;明年這一數(shù)字將增加一倍以上。因此，可以構(gòu)建增益帶寬積超過(guò)兆赫茲的放大器，工作在低于100 mA的電源電流下。OP496就是當(dāng)今可能的一個(gè)例子。其 GBP 大于 300 kHz，同時(shí)僅使用 45 μA 電源電流。

放大器寬帶噪聲取決于前端電流、晶體管尺寸和處理過(guò)程。由于低功耗和13個(gè)通常更小的幾何結(jié)構(gòu)，低功耗設(shè)計(jì)的輸入?yún)⒖荚肼曂ǔＯ鄬?duì)較高。OP496系列的26 nV/√Hz再次展示了當(dāng)今技術(shù)的能力。

輸出驅(qū)動(dòng)在很大程度上取決于可用于驅(qū)動(dòng)放大器輸出級(jí)的電流。與標(biāo)準(zhǔn)放大器不同，軌到軌設(shè)計(jì)不能使用達(dá)林頓或類似配置來(lái)提升電流。在這些設(shè)計(jì)中，與高電流相關(guān)的電壓降增加是不可接受的，因此輸出驅(qū)動(dòng)通常僅限于微安;但某些產(chǎn)品設(shè)計(jì)（如OP293*）可以輸出±8 mA電流，即使它只需要25 μA的靜態(tài)電源電流。

另一個(gè)輸出要求是灌電流和拉電流的能力。這將使輸出在兩個(gè)方向上以相同的速度擺動(dòng)。如果輸出不能吸收電流，則需要增加下拉電阻。當(dāng)然，這會(huì)使用不必要的電流，并破壞使用這種放大器來(lái)節(jié)省功率的目的。

確定低電壓下正常工作的極限：以下是確定放大器在電壓降低時(shí)是否真正工作的三種便捷方法：正弦波測(cè)試、失調(diào)電壓測(cè)試和電源電流測(cè)試。前兩個(gè)測(cè)試分別用于檢查交流和直流性能;第三種是通用測(cè)試。

正弦波測(cè)試是這些測(cè)試中最簡(jiǎn)單的。連接放大器以獲得 1 到 2 之間的增益，并提供放大器共模范圍內(nèi)的輸入正弦波。查看示波器上的輸出波形或測(cè)量其失真。隨著電源電壓的降低，波形會(huì)明顯失真。在達(dá)到這一點(diǎn)之前是最小工作電壓。

要執(zhí)行失調(diào)與電源電壓測(cè)試，請(qǐng)以高增益配置連接放大器并將輸入接地。應(yīng)設(shè)置增益，使輸出端的放大失調(diào)約為 1 伏。從已知放大器正常工作的電源電壓開始，然后測(cè)量并記錄輸出（失調(diào)）。降低電源并繼續(xù)記錄電源電壓和失調(diào)。繪制這些值時(shí)，隨著電源的進(jìn)一步降低，您通常會(huì)在圖中看到失調(diào)迅速惡化的拐點(diǎn)，略低于正常工作所需的最小電源電壓。

隨著工作電壓的降低，內(nèi)部偏置電路開始關(guān)斷。乍一看，放大器似乎仍然可以工作，但性能可能會(huì)大幅下降。此外，隨著電壓的進(jìn)一步降低，其他結(jié)構(gòu)可能會(huì)關(guān)閉。由于放大器的電源電流受到這些變化的影響，因此它可以作為漸進(jìn)變化的代理，在性能的特定方面可能更難觀察到。要確定這些點(diǎn)，請(qǐng)繪制電源電流與電源電壓的關(guān)系圖。曲線中可能有幾個(gè)彎道，每個(gè)彎道都表明進(jìn)一步退化。

應(yīng)用

微功率電話耳機(jī)：使用帶有兩個(gè)296.2 V電源的OP5*，耳機(jī)可以使用電池供電。選擇阻抗為 600 Ω的耳機(jī)，以保持較低的電流消耗。該電路可在低至 2 伏的電壓下正常工作。如圖所示，失真低于1%至5 kHz。

圖1.耳機(jī)放大器，帶有總諧波失真圖。

脈搏監(jiān)測(cè)儀：心電監(jiān)護(hù)儀需要隔離，以保護(hù)患者免受任何可能使危險(xiǎn)電流流過(guò)身體的故障的影響。使用非常低功率的放大器，心電圖放大器（用作脈沖監(jiān)測(cè)器）可以從弱到無(wú)法提供危險(xiǎn)電流水平的電源供電。例如，這里有一個(gè)可用于運(yùn)動(dòng)或其他監(jiān)測(cè)的電路（但不打算用于生命支持系統(tǒng)）。

該電路有三個(gè)輸入（來(lái)自一組測(cè)量電極）、一對(duì)檢測(cè)輸入和一個(gè)基準(zhǔn)返回輸入。

前端是標(biāo)準(zhǔn)的三放大器差分電路。第一級(jí)的增益由RG設(shè)置。50 到 150 的收益效果很好。電阻值的選擇略高于平時(shí)，以降低電流消耗。輸出級(jí)的增益為10 V/V，應(yīng)設(shè)置為400至1000 Hz的滾降，速度足以通過(guò)ECG波形，但濾除高頻噪聲。

圖2.脈沖放大器，具有典型波形。

由于高增益和低信號(hào)電平，電路需要仔細(xì)布局。所有引線應(yīng)保持短路，以減少感應(yīng)噪聲。兩個(gè)檢測(cè)輸入應(yīng)為雙絞線，由基準(zhǔn)引線屏蔽。

該脈沖監(jiān)控電路設(shè)計(jì)為由兩節(jié)小型鋰電池供電，因此可以長(zhǎng)時(shí)間用于便攜式應(yīng)用，例如運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)。OP493*保證采用低至2 V電源供電，總電源電流僅為100 μA，確保電池壽命長(zhǎng)。（例如，鋰電池的額定電壓為3.6至4.2伏，但在放電至標(biāo)稱電壓的一半時(shí)仍會(huì)提供電流。

比較儀：放大器通常用作比較器，因?yàn)榫哂懈鞣N規(guī)格的放大器的便利性和可用性。在精密比較器應(yīng)用中，通常更容易找到滿足一組給定標(biāo)準(zhǔn)的放大器，尤其是在需要低功耗的情況下。較新的放大器具有軌到軌輸入和輸出，是出色的比較器，只需要一個(gè)簡(jiǎn)單的增益模塊，只需要一個(gè)額外的元件。

OP196*采用同相配置，可以設(shè)計(jì)出軌到軌輸入范圍的精密比較器，電源電流僅為50 μA。 典型的下降沿和上升沿傳播延遲為12 μs和20 μs，時(shí)鐘速率可達(dá)25 kHz。與 R1=10kΩ 和 R（1） =1 MΩ，遲滯測(cè)量值約為 70 mV。與 R1接近0 Ω時(shí)，遲滯僅為約100 μV。

圖3.同相比較器。

*OP493和OP496四通道器件是OP193/293/493和OP196/296/496單/雙/四通道器件系列的代表。

審核編輯：郭婷