毫微功耗運(yùn)算放大器的直流增益
發(fā)布時(shí)間:2021-05-01 來源:Gen Vansteeg 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】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。
圖1:反相運(yùn)算放大器
圖2:非反相運(yùn)算放大器
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:
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,如氣體檢測儀、血糖監(jiān)測儀等,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。
圖3:氧氣傳感器
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。
免責(zé)聲明:本文為轉(zhuǎn)載文章,轉(zhuǎn)載此文目的在于傳遞更多信息,版權(quán)歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權(quán)問題,請(qǐng)聯(lián)系小編進(jìn)行處理。
推薦閱讀:
特別推薦
- 兆易創(chuàng)新GD32F30x STL軟件測試庫獲得德國萊茵TüV IEC 61508功能安全認(rèn)證
- 芯科科技第三代無線開發(fā)平臺(tái)引領(lǐng)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展
- MSO 4B 示波器為工程師帶來更多臺(tái)式功率分析工具
- 艾為電子推出新一代高線性度GNSS低噪聲放大器——AW15745DNR
- 瑞薩發(fā)布四通道主站IC和傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)器, 以推動(dòng)不斷增長的IO-Link市場
- e絡(luò)盟現(xiàn)貨供應(yīng) Abracon 新推出的 AOTA 系列微型鑄型電感器
- 加賀富儀艾電子推出支持Wi-Fi 6和藍(lán)牙的無線局域網(wǎng)/藍(lán)牙組合模塊
技術(shù)文章更多>>
- 一文掌握UV LED在空凈消殺領(lǐng)域的主要應(yīng)用
- 【“源”察秋毫系列】 Keithley在碳納米管森林涂層纖維復(fù)合材料的應(yīng)用
- 數(shù)字驅(qū)動(dòng)工業(yè),智能賦能制造 AMTS & AHTE SOUTH CHINA 2024同期會(huì)議全公開!
- 團(tuán)體觀展招募!104CEF開啟組團(tuán)觀眾通道,解鎖更多禮遇
- 觸摸式OLED顯示屏有望重新定義汽車用戶界面
技術(shù)白皮書下載更多>>
- 車規(guī)與基于V2X的車輛協(xié)同主動(dòng)避撞技術(shù)展望
- 數(shù)字隔離助力新能源汽車安全隔離的新挑戰(zhàn)
- 汽車模塊拋負(fù)載的解決方案
- 車用連接器的安全創(chuàng)新應(yīng)用
- Melexis Actuators Business Unit
- Position / Current Sensors - Triaxis Hall
熱門搜索
電阻觸控屏
電阻器
電阻作用
調(diào)速開關(guān)
調(diào)諧器
鼎智
動(dòng)力電池
動(dòng)力控制
獨(dú)石電容
端子機(jī)
斷路器
斷路器型號(hào)
多層PCB
多諧振蕩器
扼流線圈
耳機(jī)
二極管
二極管符號(hào)
發(fā)光二極管
防靜電產(chǎn)品
防雷
防水連接器
仿真工具
放大器
分立器件
分頻器
風(fēng)力渦輪機(jī)
風(fēng)能
風(fēng)扇
風(fēng)速風(fēng)向儀