低功耗运算放大器：低噪声基准、实用正弦波

作者：Philip Karantzalis, Aaron Schultz, and Catherine Chang

我们的运算放大器系列以业界领先的速度与电源电流的关系进行了扩展。LTC6258 / LTC6259 / LTC6260 系列 （单通道、双通道、四通道） 在一个 20μA 的超低电源电流条件下提供了 1.3MHz 的电流，具有 400μV 的最大失调电压和轨至轨输入和输出。结合1.8V至5.25V电源，该运算放大器支持无数需要以低功耗和低电压、合理成本实现性能不折不扣的应用。

低噪声基准电压源

LT®6656 是一款具一个 1μA 低电源电流的精准串联电压基准。结合一个简单的滤波器，LTC6258 能够降低 LT6656 的有效噪声并增强其输出电流驱动能力，同时保持较低的总功耗。

图 1 显示了这样的配置。首先，LT6656 输出之后有一个非常低的截止频率 （R合1和 C合1，低于 5Hz 截止值）。R 的大值合1由于 LTC6258 的输入偏置电流，可能会产生显著的失调电压。设置 R合1至2.7kΩ会产生低于运算放大器标称输入失调电压的失调。 C合1可以更大或更小，并相应地进行或多或少的过滤。C的耐压要求合1很低，导致电容相对较大，体积小。

该电路利用了 LTC6258 驱动大容性负载的能力。使用连接至 LTC6258 的大输出电容器组可实现对使用该基准电压的后续电路的显著旁路。总的来说，在此配置中，LT6656 和 LTC6258 的组合可产生一个具有低噪声、低功率和明显较大的旁路电容的基准电压。

电压频谱噪声密度如图2所示。一旦滤波器（R合1和 C合1） 遵循引用。运算放大器采用单位增益配置，无论是否具有44μF大负载，均保持稳定，仅产生少量低频噪声。图3显示了R组合的瞬态响应合1– C合1滤波器和运算放大器电路，带或不带44μF输出电容。

 

重要的是，将 LTC6258 引入基准电路后，输出电压准确度不会明显下降。LT6656 A 级准确度为 0.05%。在1.25V时，误差为±625μV;误差为0.1%的B级为±1.25mV。使用具有 400μV 最大失调值的 LTC6258 会增加一些标称输出电压的不确定性，但完全在 LT6656 初始误差的数量级之内。

测得的电源电流消耗为 21μA。

实用正弦波

使用5V低功耗运算放大器不会产生失真为–100dBc的正弦波。尽管如此，采用 LTC6258 的带通滤波器可与一个易于使用的低功率振荡器结合使用，以低成本、低电压和极低耗散产生正弦波。

有源滤波器

图4所示的带通滤波器交流耦合到输入端。因此，LTC6258 输入不会给前一级带来产生特定绝对共模电压的负担。具有 RA1 和 RA2 的简单电阻分压器为 LTC6258 带通滤波器提供了偏置。将运算放大器输入固定在固定电压上有助于减少移动共模时可能产生的失真。

 

该滤波器的中心频率为10kHz。确切的电阻和电容值可以向上或向下调整，具体取决于最低电阻噪声还是最低总电源电流最重要。该方案通过降低反馈环路中的电流，针对低耗散进行了优化。电容C2和C3最初为4.7nF或更高，电阻值较低。最后，具有更高电阻的1nF针对更低的功耗进行了优化。除功耗外，反馈阻抗的次要但同样重要的方面是运算放大器轨到轨输出级的负载。较重的负载（例如1K至10K阻抗）会显著降低开环增益，进而影响带通滤波器的精度。数据手册表明，AVOL从100kΩ降至10kΩ，降低了5倍。较低的C2和C3可能是可行的，但随后R6变得更大，在输出端引入更多噪声。

该带通滤波器的目标Q值适中，约为3。中等 Q 值而不是高 Q 值允许使用 5% 电容。更高的Q值将需要更精确的电容，并且很可能在10kHz时开环增益高于反馈阻抗负载。当然，中等Q值比高Q值导致谐波衰减更小。

添加振荡器

低功耗正弦波发生器可以通过将方波驱动到带通滤波器中来获得。完整的原理图如图6所示。LTC®6906 微功率电阻器设置振荡器可轻松配置为一个 10kHz 方波，并能够驱动带通滤波器输入电阻器中相对良性的负载。LTC6906 在 10kHz 时的电源电流为 32.4μA。

图 7 示出了 LTC6906 输出和带通滤波器输出。正弦波的HD2为–46.1dBc，HD3为–32.6dBc。输出为 1.34VP-P至 1.44VP-P由于运算放大器在10kHz时的开环增益有限，精确电平略有变化。在 3V 电源轨上，总电流消耗低于 55μA。

其他增强功能

图 8 显示了可选的增强功能。一个低功率基准利用了 LTC6906 和 LTC6258 采用非常低的电源运作的能力。基准从一个电池输入提供 2.5V 电压。固定的 2.5V 电源可在输入电压变化的情况下稳定输出电压摆幅。此外，即使具有较高电阻的滤波电容器值更低，也会进一步降低 LTC6258 负载，从而降低耗散并改善滤波器准确度。

结论

LTC6258 / LTC6259 / LTC6260 系列 （单通道、双通道、四通道） 在一个 20μA 的低电源电流中提供了 1.3MHz 的增益带宽，并具有 400μV 的最大失调电压和轨至轨输入和输出。该运算放大器与1.8V至5.25V电源相结合，支持需要高性能、低功耗、低电压和低成本的应用。

审核编辑：郭婷