極低電壓、微功率放大器

便攜式醫(yī)療監(jiān)測儀器、助聽器和安全監(jiān)測設備都是必須使用電池運行并持續(xù)運行很長時間的產品示例。由于尺寸限制，可用功率在電源電壓和電流方面受到嚴重限制。

這些應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范圍應盡可能寬，以獲得足夠的動態(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到地，輸入范圍甚至可以超過電源范圍。能夠達到兩個電源“軌”的放大器稱為軌到軌放大器。

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

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

雙極性設計，如CMOS，至少需要兩個晶體管壓降;但這些滴是V是s，因此在 1.8 伏電壓下操作非常實用。OP293*雙通道運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，因為 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，沒有同時具有軌到軌輸入和輸出的JFET運算放大器;AD820系列的軌到軌輸出最接近。JFET運算放大器在需要低噪聲、低偏置電流或寬帶寬的應用中非常有利。

微功耗設計的局限性：與標準運算放大器相比，低電流放大器在帶寬、輸出驅動和噪聲水平方面相對有限。每個參數(shù)的值取決于設計過程中可用的技術。如今，微功率放大器可以實現(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，可以構建增益帶寬積超過兆赫茲的放大器，工作在低于100 mA的電源電流下。OP496就是當今可能的一個例子。其 GBP 大于 300 kHz，同時僅使用 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程。由于低功耗和13個通常更小的幾何結構，低功耗設計的輸入?yún)⒖荚肼曂ǔＯ鄬^高。OP496系列的26 nV/√Hz再次展示了當今技術的能力。

輸出驅動在很大程度上取決于可用于驅動放大器輸出級的電流。與標準放大器不同，軌到軌設計不能使用達林頓或類似配置來提升電流。在這些設計中，與高電流相關的電壓降增加是不可接受的，因此輸出驅動通常僅限于微安;但某些產品設計（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。

另一個輸出要求是灌電流和拉電流的能力。這將使輸出在兩個方向上以相同的速度擺動。如果輸出不能吸收電流，則需要增加下拉電阻。當然，這會使用不必要的電流，并破壞使用這種放大器來節(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是否真正工作的三種便捷方法：正弦波測試、失調電壓測試和電源電流測試。前兩個測試分別用于檢查交流和直流性能;第三種是通用測試。

正弦波測試是這些測試中最簡單的。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的輸入正弦波。查看示波器上的輸出波形或測量其失真。隨著電源電壓的降低，波形會明顯失真。在達到這一點之前是最小工作電壓。

要執(zhí)行失調與電源電壓測試，請以高增益配置連接放大器并將輸入接地。應設置增益，使輸出端的放大失調約為 1 伏。從已知放大器正常工作的電源電壓開始，然后測量并記錄輸出（失調）。降低電源并繼續(xù)記錄電源電壓和失調。繪制這些值時，隨著電源的進一步降低，您通常會在圖中看到失調迅速惡化的拐點，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，內部偏置電路開始關斷。乍一看，放大器似乎仍然可以工作，但性能可能會大幅下降。此外，隨著電壓的進一步降低，其他結構可能會關閉。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，請繪制電源電流與電源電壓的關系圖。曲線中可能有幾個彎道，每個彎道都表明進一步退化。

應用

微功率電話耳機：使用帶有兩個296.2 V電源的OP5*，耳機可以使用電池供電。選擇阻抗為 600 Ω的耳機，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.耳機放大器，帶有總諧波失真圖。

脈搏監(jiān)測儀：心電監(jiān)護儀需要隔離，以保護患者免受任何可能使危險電流流過身體的故障的影響。使用非常低功率的放大器，心電圖放大器（用作脈沖監(jiān)測器）可以從弱到無法提供危險電流水平的電源供電。例如，這里有一個可用于運動或其他監(jiān)測的電路（但不打算用于生命支持系統(tǒng)）。

該電路有三個輸入（來自一組測量電極）、一對檢測輸入和一個基準返回輸入。

前端是標準的三放大器差分電路。第一級的增益由RG設置。50 到 150 的收益效果很好。電阻值的選擇略高于平時，以降低電流消耗。輸出級的增益為10 V/V，應設置為400至1000 Hz的滾降，速度足以通過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電平，電路需要仔細布局。所有引線應保持短路，以減少感應噪聲。兩個檢測輸入應為雙絞線，由基準引線屏蔽。

該脈沖監(jiān)控電路設計為由兩節(jié)小型鋰電池供電，因此可以長時間用于便攜式應用，例如運動監(jiān)測。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。（例如，鋰電池的額定電壓為3.6至4.2伏，但在放電至標稱電壓的一半時仍會提供電流。

比較儀：放大器通常用作比較器，因為具有各種規(guī)格的放大器的便利性和可用性。在精密比較器應用中，通常更容易找到滿足一組給定標準的放大器，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，只需要一個簡單的增益模塊，只需要一個額外的元件。

OP196*采用同相配置，可以設計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，時鐘速率可達25 kHz。與 R1=10kΩ 和 R（1） =1 MΩ，遲滯測量值約為 70 mV。與 R1接近0 Ω時，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