采用微功率运算放大器解决能量采集应用中功率限制问题

无线传感器由环境能源提供支持，处于行业趋势的最前沿，如M2M应用，物联网（IoT）运动和一般自动化系统。作为这些微型传感器系统的基础，运算放大器为低压传感器信号提供必要的缓冲和调节，但仍需要保持在非常严格的功率预算范围内。为了设计这些系统，工程师可以使用ADI，Intersil，Maxim Integrated，Microchip Technology，ROHM Semiconductor，STMicroelectronics和Texas Instruments等制造商提供的微功率运算放大器，找到所需的性能特性和超低功耗平衡。通过从太阳能，振动，温度或射频源获取能量，无线传感器系统可以保持运行多年而无需更换电池，或者有时根本不使用它们。然而，由于环境光源通常提供持续功率的微瓦，工程师面临着寻找合适的低功率器件的可用性的挑战。通常是事后的想法，信号放大器可以代表这些系统中的大量功率消耗而不考虑功耗和整体器件特性（图1）。

图1：微功率放大器起着关键作用在由环境能源供电的无线传感器系统中可用的非常紧凑的功率预算内满足应用要求（由德州仪器公司提供）。

低功耗运行

微功率运算放大器可满足大多数传感器系统的信号调理要求。这些器件的电流消耗为1μA及以下，特别适用于能量收集传感器应用。它们采用单个低压电源供电的能力简化了设计，使其特别适用于能量收集应用中的低压电源。 ADI公司的AD8502精密CMOS运算放大器工作电源电流通常低于1μA（图2）。

图2：AD100 AD2502等微功耗运算放大器功能非常低供电电流工作电压通常远低于1μA（由ADI公司提供）。设计人员可以在此类电压放大器中找到更低的功率要求。 Maxim Integrated MAX4470的工作电流为750 nA，STMicroelectronics TSU101的典型功耗为580 nA。

对于功耗更高的应用，ROHM Semiconductor BU7265在正常工作时仅需350 nA，并具有输入偏置电流低至1 pA（典型值）。该器件具有内部ESD保护和±4，000 V的人体模型（HBM）额定值。

Intersil ISL28194的功耗要求更低，典型电流仅为330 nA。此外，该器件还包括一个关断引脚，在这种超低功耗模式下，功耗降至2 nA。此类器件通常采用低至1.8 V的单电源供电，但设计人员会发现不同的选择。 AD8502采用+8至+5.5 V的单电源供电，以及±0.9至±2.75 V的双电源电压。相比之下，Microchip Technology MCP6041采用单电源供电，可以使用低至1.4 V，同时吸收600 nA（典型值）Touchstone半导体的TS1003运算放大器能够在低至0.8 V的单电源电压下工作，Touchstone器件工作时的典型电源电流仅为600 nA，输入偏置电流低至极低低压供电挑战

虽然低压运行符合能量收集要求，但在使用这些敏感设备进行设计时也会带来额外的挑战。通过限制输出电压摆幅，使用这些器件的低压电源相应地降低了信噪比（SNR）。因此，这类低压运算放大器通常具有轨到轨输入/输出（RRIO）。 RRIO操作通过允许完整的轨到轨输出摆幅和包括一个或两个电源轨的输入电压范围来改善SNR。因此，例如，AD8502，MAX4470，TSU101以及此处提到的所有其他器件都具有RRIO功能，有助于最大限度地提高低压能量采集系统的动态范围和信噪比。

除了降低信号范围外，还要求低 - 电压操作会通过提高电路中的本底噪声来降低SNR。在减少有限能量收集电源的负载的同时，低电源电流操作会导致放大器噪声增加。此外，具有低功耗运算放大器的电路通常使用具有更高值的反馈电阻来限制电源电流，从而增加了额外的噪声源。最后，这些敏感电路通过与附近的高速数字电路的电容耦合容易受到噪声的影响。为了限制整体噪声源，微功率运算放大器的噪声贡献成为一个重要的设计参数。实际上，微功率运算放大器通常具有非常低噪声的操作。德州仪器（TI）OPA369运算放大器具有低至3.6μVp-p（0.1至10 Hz）的噪声，具有1.8 V RRIO工作电压和800 nA电源电流。

TI OPAx369系列还解决了低压运算放大器的关键问题。在低压操作中，由于共模电压的变化，这些器件可能面临输入交叉失真。 OPAx369的输入失调低至250μV，采用TI的“zerø-crossover”技术，可在整个电源范围内保持最小的失真（图3）。

图3：德州仪器（TI）的OPAx369运算放大器系列可最大限度地减少由于这些类型微功率器件中常见的共模电压变化引起的输入交叉失真（德州仪器公司提供）。

结论

微功率运算放大器满足缓冲和基本要求传感器应用中的信号调理。这些器件的典型电流消耗低于1μA，采用能量采集应用中常见的单一低压电源供电。此外，它们的低噪声特性解决了低压操作中固有的噪声灵敏度。使用可用的微功率运算放大器，工程师可以实现能够在能量收集应用中常见的功率限制内良好运行的传感器设计。