微功率运算放大器在便携式设备中的应用

    微功率运算放大器延长了电池供电型系统的运行时间，并降低了其它能量受限型系统的能耗。然而，电池的电压会随着其电量的消耗而发生变化。为了最大限度地延长系统的运行时间，运算放大器应在一个足够宽的电源范围内运作，以充分利用完整的电池电压范围(从完全充满到完全耗尽)。新型LT6000系列1μA和13μA运算放大器可在高达16V到低至1.8V的电源电压范围内正常工作，并且在整个温度范围内得到保证。 

　　NiMH电池和碱性电池

　　NiMH电池具有1.2V的标称电压，但当该电压随着电池电量的消耗而降至0.9V以下时，将会出现迅速下降。LT6000系列运算放大器直接采用两节串联NiMH电池作为工作电源，充分利用了其完整的充放电周期。同样，碱性电池具有1.5V的标称电压，但能够在电池电压因电量消耗而降至几百毫伏的条件下输送能量。因此，LT6000可在采用两节串联碱性电池的情况下良好地运作，而且也能够在直接采用9V碱性电池(6节串联)作为工作电源，工作电压范围为满充电到电量极度消耗状态(对于1.8V的总电源电压，平均电池电压为300mV)。诚然，其它的低电压运算放大器也可在该电池电压范围的耗尽端运作，不过在这些运算放大器中，同时还能够容许使用一个9V电源的就寥寥无几了。

　　电源友好性

　　某些微功率运算放大器具有恼人的特性，例如：在启动或当输出电压达到某个电源轨时会吸收过大的电流(通常被称为“胡罗卜”)。由于这些形似“胡罗卜”的电流尖峰将加快电池的放电，因而使得微功率操作的目的化为泡影。更加糟糕的是，在采用一个电流受限电源的场合，它们有可能共同作用而阻止电源的上电操作，从而实际上造成了系统的急剧放电。图1示出了不同温度条件下LT6000和LT6003电源电流与施加的电源电压的关系曲线。LT6000系列消除了状如“胡罗卜”的电流尖峰，或者至少将它们削减到了“根部”。 



　　便携式气体传感器

　　图2示出了将LT6003用作一个氧气检测放大器时的情形。氧气传感器的作用非常类似于一个气动电池，并在一个大气压力的新鲜空气(氧气含量为20.9%)中产生了100μA的电流。它是专为向一个100Ω电阻器提供工作电流而设计的，以获得一个10mV的全标度读数。如图所示，这款运算放大器以一个数值为100(实际上是101)的增益对该电压进行放大，以获得一个1V的全标度输出。就适合人类居住的氧气浓度环境监视而言，18%的氧气含量将转换为一个0.86V的输出电压。低于该值的氧气含量被认为是危险的。肺部脱氧将导致人类立即失去知觉，这与屏息毫无相似之处。该电路的总电源电流为950nA。室温条件下的500μV最坏情况输入失调电压将在输出读数中造成一个50mV的误差。



　　通过实现一种如图3所示的跨阻抗方法，将能够获得更加优越的低值准确度。运算放大器A1提供了一个缓冲基准电压，因此在降至零含氧量环境的整个过程中电路都是准确(在地电位处不会发生限幅)。运算放大器A2通过反馈电阻器RF提供了电流至电压转换功能。如同制造商规定的那样，传感器仍然承受100Ω终端。在常压下，输出电压依然为1V，但应注意的是，噪声增益并不远远大于1，因此，此时由于失调所导致的输出误差为500μV(最坏情况值)，而不是采用前一种电路时的50mV。准确度的大幅度改善要求在电源电流中付出一些代价，因为氧气传感器电流现在是由运算放大器输出通过RF回馈的，而该电流必需取自电源。于是，电源电流和氧气的存在与否有关。尽管如此，该解决方案仍然能够在监视无氧环境(例如：食品贮存环境以及那些专为阻燃而设计的环境)时实现超低功耗。当便式传感器所检测的物质不是氧气，而是某种对人体有害的物质时，它也是理想的选择，这种物质通常并不存在，因此电流一般很低。



　　结论

　　LT6000和LT6003系列运算放大器可在一个宽电源范围内(从18V一直到低至1.8V)实现13μA和1μA的微功率操作，并在整个温度范围内得到保证。在设计阶段采取了谨慎的方案，旨在最大限度地减小诸如形似“胡罗卜”的电源电流尖峰等困局。它们非常适合于最大限度地延长便携式应用中的电池使用寿命，并可在各种电池充电水平和环境中运作。