极低电压、微功率放大器

便携式医疗监测仪器、助听器和安全监测设备都是必须使用电池运行并持续运行很长时间的产品示例。由于尺寸限制，可用功率在电源电压和电流方面受到严重限制。

这些应用的放大器必须在这些低电压下工作，并且消耗的电流非常小。此外，它们的输入和输出信号范围应尽可能宽，以获得足够的动态范围（满量程信噪比）。最好的器件的输出电压可以从正电源摆动到地，输入范围甚至可以超过电源范围。能够达到两个电源“轨”的放大器称为轨到轨放大器。

要为这些应用选择放大器，首先要考虑所需的性能，而不是制造工艺。低功耗产品采用CMOS、双极性和JFET工艺，但您不应先入为主地看待每种产品的性能范围。

直到最近，CMOS低压设计还不适用于精密低压操作。CMOS工艺具有相对较高的阈值电压，范围为1.8至2.1伏。由于大多数放大器设计至少需要两个V千s工作时，即使在室温下，最低电源电压也> 3 V。

双极性设计，如CMOS，至少需要两个晶体管压降;但这些滴是V是s，因此在 1.8 伏电压下操作非常实用。OP293*双通道运算放大器等放大器保证工作电压为2 V，工作电压低至1.7 V。但是，必须注意确保在低温下保持功能，因为 V是随着温度的降低而增加（约-2 mV/°C）。因此，在-25°C下工作将需要超出最小室温工作电压的额外100 mV或更多裕量。

目前，没有同时具有轨到轨输入和输出的JFET运算放大器;AD820系列的轨到轨输出最接近。JFET运算放大器在需要低噪声、低偏置电流或宽带宽的应用中非常有利。

微功耗设计的局限性：与标准运算放大器相比，低电流放大器在带宽、输出驱动和噪声水平方面相对有限。每个参数的值取决于设计过程中可用的技术。如今，微功率放大器可以实现10 kHz/μA的速度/功率比;明年这一数字将增加一倍以上。因此，可以构建增益带宽积超过兆赫兹的放大器，工作在低于100 mA的电源电流下。OP496就是当今可能的一个例子。其 GBP 大于 300 kHz，同时仅使用 45 μA 电源电流。

放大器宽带噪声取决于前端电流、晶体管尺寸和处理过程。由于低功耗和13个通常更小的几何结构，低功耗设计的输入参考噪声通常相对较高。OP496系列的26 nV/√Hz再次展示了当今技术的能力。

输出驱动在很大程度上取决于可用于驱动放大器输出级的电流。与标准放大器不同，轨到轨设计不能使用达林顿或类似配置来提升电流。在这些设计中，与高电流相关的电压降增加是不可接受的，因此输出驱动通常仅限于微安;但某些产品设计（如OP293*）可以输出±8 mA电流，即使它只需要25 μA的静态电源电流。

另一个输出要求是灌电流和拉电流的能力。这将使输出在两个方向上以相同的速度摆动。如果输出不能吸收电流，则需要增加下拉电阻。当然，这会使用不必要的电流，并破坏使用这种放大器来节省功率的目的。

确定低电压下正常工作的极限：以下是确定放大器在电压降低时是否真正工作的三种便捷方法：正弦波测试、失调电压测试和电源电流测试。前两个测试分别用于检查交流和直流性能;第三种是通用测试。

正弦波测试是这些测试中最简单的。连接放大器以获得 1 到 2 之间的增益，并提供放大器共模范围内的输入正弦波。查看示波器上的输出波形或测量其失真。随着电源电压的降低，波形会明显失真。在达到这一点之前是最小工作电压。

要执行失调与电源电压测试，请以高增益配置连接放大器并将输入接地。应设置增益，使输出端的放大失调约为 1 伏。从已知放大器正常工作的电源电压开始，然后测量并记录输出（失调）。降低电源并继续记录电源电压和失调。绘制这些值时，随着电源的进一步降低，您通常会在图中看到失调迅速恶化的拐点，略低于正常工作所需的最小电源电压。

随着工作电压的降低，内部偏置电路开始关断。乍一看，放大器似乎仍然可以工作，但性能可能会大幅下降。此外，随着电压的进一步降低，其他结构可能会关闭。由于放大器的电源电流受到这些变化的影响，因此它可以作为渐进变化的代理，在性能的特定方面可能更难观察到。要确定这些点，请绘制电源电流与电源电压的关系图。曲线中可能有几个弯道，每个弯道都表明进一步退化。

应用

微功率电话耳机：使用带有两个296.2 V电源的OP5*，耳机可以使用电池供电。选择阻抗为 600 Ω的耳机，以保持较低的电流消耗。该电路可在低至 2 伏的电压下正常工作。如图所示，失真低于1%至5 kHz。

图1.耳机放大器，带有总谐波失真图。

脉搏监测仪：心电监护仪需要隔离，以保护患者免受任何可能使危险电流流过身体的故障的影响。使用非常低功率的放大器，心电图放大器（用作脉冲监测器）可以从弱到无法提供危险电流水平的电源供电。例如，这里有一个可用于运动或其他监测的电路（但不打算用于生命支持系统）。

该电路有三个输入（来自一组测量电极）、一对检测输入和一个基准返回输入。

前端是标准的三放大器差分电路。第一级的增益由RG设置。50 到 150 的收益效果很好。电阻值的选择略高于平时，以降低电流消耗。输出级的增益为10 V/V，应设置为400至1000 Hz的滚降，速度足以通过ECG波形，但滤除高频噪声。

图2.脉冲放大器，具有典型波形。

由于高增益和低信号电平，电路需要仔细布局。所有引线应保持短路，以减少感应噪声。两个检测输入应为双绞线，由基准引线屏蔽。

该脉冲监控电路设计为由两节小型锂电池供电，因此可以长时间用于便携式应用，例如运动监测。OP493*保证采用低至2 V电源供电，总电源电流仅为100 μA，确保电池寿命长。（例如，锂电池的额定电压为3.6至4.2伏，但在放电至标称电压的一半时仍会提供电流。

比较仪：放大器通常用作比较器，因为具有各种规格的放大器的便利性和可用性。在精密比较器应用中，通常更容易找到满足一组给定标准的放大器，尤其是在需要低功耗的情况下。较新的放大器具有轨到轨输入和输出，是出色的比较器，只需要一个简单的增益模块，只需要一个额外的元件。

OP196*采用同相配置，可以设计出轨到轨输入范围的精密比较器，电源电流仅为50 μA。 典型的下降沿和上升沿传播延迟为12 μs和20 μs，时钟速率可达25 kHz。与 R1=10kΩ 和 R（1） =1 MΩ，迟滞测量值约为 70 mV。与 R1接近0 Ω时，迟滞仅为约100 μV。

图3.同相比较器。

*OP493和OP496四通道器件是OP193/293/493和OP196/296/496单/双/四通道器件系列的代表。

审核编辑：郭婷