小型電池供電產(chǎn)品的增加使運(yùn)算放大器（op amp）的功耗成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。本應(yīng)用筆記討論了為什么低靜態(tài)電流是運(yùn)算放大器的一個(gè)重要特性，特別是對于便攜式應(yīng)用。

介紹

運(yùn)算放大器（op amp）自1940年代以來已經(jīng)走了很長一段路，當(dāng)時(shí)它們首次以早期形式出現(xiàn)。他們 自首次推出以來，設(shè)計(jì)一直在不斷發(fā)展，因此在數(shù)字時(shí)代，它們?nèi)匀豢梢詽M足 新興應(yīng)用的需求。本應(yīng)用筆記討論了低靜態(tài)電流在 適用于運(yùn)算放大器，尤其適用于便攜式應(yīng)用。

運(yùn)算放大器：模擬保險(xiǎn)

您可以將運(yùn)算放大器視為模擬保險(xiǎn)。作為模擬電路中的關(guān)鍵構(gòu)建模塊，運(yùn)算放大器長期發(fā)揮著作用 管理有用的功能，如反饋控制、微分、加法、乘法和積分。帶數(shù)字 系統(tǒng)，這些組件可用于模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC）、數(shù)模轉(zhuǎn)換器等應(yīng)用 （DAC）、緩沖器和穩(wěn)壓電源。它們在確保設(shè)計(jì)中的電壓電平達(dá)到其位置方面的作用 應(yīng)該是關(guān)鍵的。運(yùn)算放大器還起著重要的信號調(diào)理作用，確保模擬信號干凈 在它們轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號之前。

我們現(xiàn)在在日常使用中擁有越來越多的電池供電產(chǎn)品。其中許多，例如可穿戴設(shè)備和耳戴式設(shè)備， 采用非常小的外形尺寸。因此，運(yùn)算放大器的功耗受到更嚴(yán)格的審查。對于便攜式應(yīng)用， 運(yùn)算放大器必須采用較低且通常為單電源的正電源電壓工作。它們還必須消耗更少的電流。甚至 有了這些規(guī)格，一些運(yùn)算放大器仍然必須在更高的頻率或更低的噪聲下工作，同時(shí)消耗更少 當(dāng)前。這無疑帶來了一些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

好消息是，運(yùn)算放大器正在不斷發(fā)展和進(jìn)步。這些模擬組件變得越來越精確， 提供更好的熱漂移和長期漂移。電源電流正在減小，器件也越來越小。部分集成電路供應(yīng)商 開發(fā)用于特定用途的運(yùn)算放大器。例如，有些部件專為精度和低噪聲而設(shè)計(jì)，而有些則提供 高壓。也可能有一些變化具有低功耗、小型封裝和具有低輸入偏置電流的CMOS輸入。這種器件類型系列非常適合各種應(yīng)用，包括小型電池供電設(shè)計(jì)。

我有多低Q支持更長的電池壽命

靜態(tài)電流（IQ）是另一個(gè)值得仔細(xì)考慮的規(guī)格。靜態(tài)電流是指電路的 當(dāng)它不驅(qū)動(dòng)任何負(fù)載并且其輸入不循環(huán)時(shí)處于安靜狀態(tài)。它通常是名義上的;但是，它確實(shí)有一個(gè) 對電池壽命產(chǎn)生重大影響，尤其是在可穿戴設(shè)備、耳戴式設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 傳感器節(jié)點(diǎn)方面。這些 產(chǎn)品類型通常設(shè)計(jì)為定期喚醒以執(zhí)行某些操作。之后，它們重新進(jìn)入待機(jī)狀態(tài) 模式。一些產(chǎn)品，如醫(yī)療貼片，可能會(huì)在庫房貨架上保留很長時(shí)間，然后再 投入使用。對于所有這些產(chǎn)品，用戶都希望電池壽命長。

電池壽命是根據(jù)中央控制單元的活動(dòng)、睡眠和休眠電流計(jì)算的，例如 微控制器。電源為系統(tǒng)的所有功能塊提供能量。同時(shí)有功電流消耗 在延長電池壽命方面起著重要作用，運(yùn)行時(shí)間最終受每個(gè)電源花費(fèi)的時(shí)間的影響 模式。因此，由于睡眠和休眠模式在設(shè)備中占用的時(shí)間較長，因此每種模式的待機(jī)電流 組件變得更加關(guān)鍵。在這種情況下，電源的靜態(tài)電流是待機(jī)的最大貢獻(xiàn)因素 系統(tǒng)中的功耗。這就是為什么使用低靜態(tài)組件構(gòu)建電源是謹(jǐn)慎的原因 當(dāng)前。

例如，考慮由鋰紐扣電池供電的小型設(shè)備，具有以下規(guī)格：

34mAh，3V至2V端電壓

每年 1% 的自放電，相當(dāng)于 39nA 的自放電電流

10 年工作壽命，390nA 平均負(fù)載

對于長時(shí)間處于空閑模式的器件，具有低靜態(tài)電流（例如納安級）的運(yùn)算放大器可以 顯著節(jié)約能源。例如，讓我們看一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)傳感系統(tǒng)，該系統(tǒng)每通電15ms。 分鐘進(jìn)行測量。該系統(tǒng)平均每小時(shí)消耗2.5μA電流。使用我們的鋰紐扣電池 物聯(lián)網(wǎng)傳感系統(tǒng)示例（34mAh額定值）應(yīng)為電路供電18.6個(gè)月。甚至增加運(yùn)算放大器的損耗 在1.5μA的低電流下，有60%的大幅損耗。相比之下，如果我們使用具有納安電流水平的運(yùn)算放大器， 這部分造成的損失將減少到30%左右。

更快的上市時(shí)間

除了用作分立元件外，運(yùn)算放大器功能還可以集成到片上系統(tǒng)（SoC）中。 然而，使用 SoC 進(jìn)行設(shè)計(jì)可最大程度地降低分立元件提供的靈活性。這種方法還可以擴(kuò)展 設(shè)計(jì)周期，因?yàn)閼?yīng)用程序開發(fā)人員必須與SoC供應(yīng)商合作（并等待）創(chuàng)建適合設(shè)計(jì)的芯片 特定規(guī)格。鑒于快速上市對于可穿戴設(shè)備、耳戴式設(shè)備和 物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，謹(jǐn)慎的做法是使用具有低靜態(tài)電流的小型分立運(yùn)算放大器。

Maxim的MAX40007毫微功耗運(yùn)算放大器非常適合小型電池供電的便攜式產(chǎn)品，如可穿戴設(shè)備、智能手機(jī)、 平板電腦和醫(yī)療設(shè)備。如圖1所示，MAX40007僅消耗750nA電流，采用1.1mm x 0.76mm WLP封裝。它可以 也可以快速設(shè)計(jì)。憑借其小尺寸和低靜態(tài)電流，該IC適合早期設(shè)計(jì)——當(dāng)使用不會(huì)占用太多電路板空間或增加大量電流消耗的分立器件時(shí)，這可能是一個(gè) 上市時(shí)間優(yōu)勢。運(yùn)算放大器采用1.7V至5.5V單電源供電，可由相同的1.8V、2.5V或3.3V或 <>.<>V 標(biāo)稱電源，為系統(tǒng)微控制器供電。

圖1.MAX40007毫微功耗運(yùn)算放大器采用超纖巧型WLP和SOT23封裝。

作為最終應(yīng)用的示例，請考慮圖2所示的便攜式患者監(jiān)護(hù)設(shè)計(jì)。在左側(cè) 處理器，在信號鏈模塊中，兩個(gè)運(yùn)算放大器用于濾除來自脈搏血氧儀的信號，安全 身份驗(yàn)證和血壓傳感器在由ADC處理之前。作為便攜式設(shè)備，該患者 監(jiān)控設(shè)計(jì)可受益于其底層組件的低靜態(tài)電流和小尺寸。

圖2.患者監(jiān)護(hù)設(shè)計(jì)示例框圖，顯示了內(nèi)部的關(guān)鍵組件。

結(jié)論

小型電池供電產(chǎn)品的激增使運(yùn)算放大器的功耗成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。這些模擬 組件越來越精確，功耗越來越低，而且越來越小。非常小的運(yùn)算放大器，具有低靜態(tài)功耗 電流 （IQ） 已被證明是滿足日益普及的電池供電設(shè)備設(shè)計(jì)要求的理想選擇 例如可穿戴設(shè)備、耳戴式設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)傳感器。

審核編輯：郭婷