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運算放大器和低靜態電流的重要性

星星科技指導員 ? 來源:ADI ? 作者:ADI ? 2023-02-09 10:30 ? 次閱讀

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

介紹

運算放大器(op amp)自1940年代以來已經走了很長一段路,當時它們首次以早期形式出現。他們 自首次推出以來,設計一直在不斷發展,因此在數字時代,它們仍然可以滿足 新興應用的需求。本應用筆記討論了低靜態電流在 適用于運算放大器,尤其適用于便攜式應用。

運算放大器:模擬保險

您可以將運算放大器視為模擬保險。作為模擬電路中的關鍵構建模塊,運算放大器長期發揮著作用 管理有用的功能,如反饋控制、微分、加法、乘法和積分。帶數字 系統,這些組件可用于模數轉換器ADC)、數模轉換器等應用 (DAC)、緩沖器和穩壓電源。它們在確保設計中的電壓電平達到其位置方面的作用 應該是關鍵的。運算放大器還起著重要的信號調理作用,確保模擬信號干凈 在它們轉換為數字信號之前。

我們現在在日常使用中擁有越來越多的電池供電產品。其中許多,例如可穿戴設備和耳戴式設備, 采用非常小的外形尺寸。因此,運算放大器的功耗受到更嚴格的審查。對于便攜式應用, 運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 有了這些規格,一些運算放大器仍然必須在更高的頻率或更低的噪聲下工作,同時消耗更少 當前。這無疑帶來了一些設計挑戰。

好消息是,運算放大器正在不斷發展和進步。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。部分集成電路供應商 開發用于特定用途的運算放大器。例如,有些部件專為精度和低噪聲而設計,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用,包括小型電池供電設計。

我有多低Q支持更長的電池壽命

靜態電流(IQ)是另一個值得仔細考慮的規格。靜態電流是指電路的 當它不驅動任何負載并且其輸入不循環時處于安靜狀態。它通常是名義上的;但是,它確實有一個 對電池壽命產生重大影響,尤其是在可穿戴設備、耳戴式設備和物聯網IoT傳感器節點方面。這些 產品類型通常設計為定期喚醒以執行某些操作。之后,它們重新進入待機狀態 模式。一些產品,如醫療貼片,可能會在庫房貨架上保留很長時間,然后再 投入使用。對于所有這些產品,用戶都希望電池壽命長。

電池壽命是根據中央控制單元的活動、睡眠和休眠電流計算的,例如 微控制器。電源為系統的所有功能塊提供能量。同時有功電流消耗 在延長電池壽命方面起著重要作用,運行時間最終受每個電源花費的時間的影響 模式。因此,由于睡眠和休眠模式在設備中占用的時間較長,因此每種模式的待機電流 組件變得更加關鍵。在這種情況下,電源的靜態電流是待機的最大貢獻因素 系統中的功耗。這就是為什么使用低靜態組件構建電源是謹慎的原因 當前。

例如,考慮由鋰紐扣電池供電的小型設備,具有以下規格:

34mAh,3V至2V端電壓

每年 1% 的自放電,相當于 39nA 的自放電電流

10 年工作壽命,390nA 平均負載

對于長時間處于空閑模式的器件,具有低靜態電流(例如納安級)的運算放大器可以 顯著節約能源。例如,讓我們看一個物聯網傳感系統,該系統每通電15ms。 分鐘進行測量。該系統平均每小時消耗2.5μA電流。使用我們的鋰紐扣電池 物聯網傳感系統示例(34mAh額定值)應為電路供電18.6個月。甚至增加運算放大器的損耗 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。

更快的上市時間

除了用作分立元件外,運算放大器功能還可以集成到片上系統(SoC)中。 然而,使用 SoC 進行設計可最大程度地降低分立元件提供的靈活性。這種方法還可以擴展 設計周期,因為應用程序開發人員必須與SoC供應商合作(并等待)創建適合設計的芯片 特定規格。鑒于快速上市對于可穿戴設備、耳戴式設備和 物聯網設備,謹慎的做法是使用具有低靜態電流的小型分立運算放大器。

Maxim的MAX40007毫微功耗運算放大器非常適合小型電池供電的便攜式產品,如可穿戴設備、智能手機、 平板電腦和醫療設備。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 也可以快速設計。憑借其小尺寸和低靜態電流,該IC適合早期設計——當使用不會占用太多電路板空間或增加大量電流消耗的分立器件時,這可能是一個 上市時間優勢。運算放大器采用1.7V至5.5V單電源供電,可由相同的1.8V、2.5V或3.3V或 <>.<>V 標稱電源,為系統微控制器供電。

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

作為最終應用的示例,請考慮圖2所示的便攜式患者監護設計。在左側 處理器,在信號鏈模塊中,兩個運算放大器用于濾除來自脈搏血氧儀的信號,安全 身份驗證和血壓傳感器在由ADC處理之前。作為便攜式設備,該患者 監控設計可受益于其底層組件的低靜態電流和小尺寸。

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圖2.患者監護設計示例框圖,顯示了內部的關鍵組件。

結論

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

審核編輯:郭婷

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