無(wú)線傳感器由環(huán)境能源提供支持，處于行業(yè)趨勢(shì)的最前沿，如M2M應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)（IoT）運(yùn)動(dòng)和一般自動(dòng)化系統(tǒng)。作為這些微型傳感器系統(tǒng)的基礎(chǔ)，運(yùn)算放大器為低壓傳感器信號(hào)提供必要的緩沖和調(diào)節(jié)，但仍需要保持在非常嚴(yán)格的功率預(yù)算范圍內(nèi)。為了設(shè)計(jì)這些系統(tǒng)，工程師可以使用ADI，Intersil，Maxim Integrated，Microchip Technology，ROHM Semiconductor，STMicroelectronics和Texas Instruments等制造商提供的微功率運(yùn)算放大器，找到所需的性能特性和超低功耗平衡。通過(guò)從太陽(yáng)能，振動(dòng)，溫度或射頻源獲取能量，無(wú)線傳感器系統(tǒng)可以保持運(yùn)行多年而無(wú)需更換電池，或者有時(shí)根本不使用它們。然而，由于環(huán)境光源通常提供持續(xù)功率的微瓦，工程師面臨著尋找合適的低功率器件的可用性的挑戰(zhàn)。通常是事后的想法，信號(hào)放大器可以代表這些系統(tǒng)中的大量功率消耗而不考慮功耗和整體器件特性（圖1）。

圖1：微功率放大器起著關(guān)鍵作用在由環(huán)境能源供電的無(wú)線傳感器系統(tǒng)中可用的非常緊湊的功率預(yù)算內(nèi)滿足應(yīng)用要求（由德州儀器公司提供）。

低功耗運(yùn)行

微功率運(yùn)算放大器可滿足大多數(shù)傳感器系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理要求。這些器件的電流消耗為1μA及以下，特別適用于能量收集傳感器應(yīng)用。它們采用單個(gè)低壓電源供電的能力簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，使其特別適用于能量收集應(yīng)用中的低壓電源。 ADI公司的AD8502精密CMOS運(yùn)算放大器工作電源電流通常低于1μA（圖2）。

圖2：AD100 AD2502等微功耗運(yùn)算放大器功能非常低供電電流工作電壓通常遠(yuǎn)低于1μA（由ADI公司提供）。設(shè)計(jì)人員可以在此類電壓放大器中找到更低的功率要求。 Maxim Integrated MAX4470的工作電流為750 nA，STMicroelectronics TSU101的典型功耗為580 nA。

對(duì)于功耗更高的應(yīng)用，ROHM Semiconductor BU7265在正常工作時(shí)僅需350 nA，并具有輸入偏置電流低至1 pA（典型值）。該器件具有內(nèi)部ESD保護(hù)和±4，000 V的人體模型（HBM）額定值。

Intersil ISL28194的功耗要求更低，典型電流僅為330 nA。此外，該器件還包括一個(gè)關(guān)斷引腳，在這種超低功耗模式下，功耗降至2 nA。此類器件通常采用低至1.8 V的單電源供電，但設(shè)計(jì)人員會(huì)發(fā)現(xiàn)不同的選擇。 AD8502采用+8至+5.5 V的單電源供電，以及±0.9至±2.75 V的雙電源電壓。相比之下，Microchip Technology MCP6041采用單電源供電，可以使用低至1.4 V，同時(shí)吸收600 nA（典型值）Touchstone半導(dǎo)體的TS1003運(yùn)算放大器能夠在低至0.8 V的單電源電壓下工作，Touchstone器件工作時(shí)的典型電源電流僅為600 nA，輸入偏置電流低至極低低壓供電挑戰(zhàn)

雖然低壓運(yùn)行符合能量收集要求，但在使用這些敏感設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)也會(huì)帶來(lái)額外的挑戰(zhàn)。通過(guò)限制輸出電壓擺幅，使用這些器件的低壓電源相應(yīng)地降低了信噪比（SNR）。因此，這類低壓運(yùn)算放大器通常具有軌到軌輸入/輸出（RRIO）。 RRIO操作通過(guò)允許完整的軌到軌輸出擺幅和包括一個(gè)或兩個(gè)電源軌的輸入電壓范圍來(lái)改善SNR。因此，例如，AD8502，MAX4470，TSU101以及此處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壓能量采集系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍和信噪比。

除了降低信號(hào)范圍外，還要求低 - 電壓操作會(huì)通過(guò)提高電路中的本底噪聲來(lái)降低SNR。在減少有限能量收集電源的負(fù)載的同時(shí)，低電源電流操作會(huì)導(dǎo)致放大器噪聲增加。此外，具有低功耗運(yùn)算放大器的電路通常使用具有更高值的反饋電阻來(lái)限制電源電流，從而增加了額外的噪聲源。最后，這些敏感電路通過(guò)與附近的高速數(shù)字電路的電容耦合容易受到噪聲的影響。為了限制整體噪聲源，微功率運(yùn)算放大器的噪聲貢獻(xiàn)成為一個(gè)重要的設(shè)計(jì)參數(shù)。實(shí)際上，微功率運(yùn)算放大器通常具有非常低噪聲的操作。德州儀器（TI）OPA369運(yùn)算放大器具有低至3.6μVp-p（0.1至10 Hz）的噪聲，具有1.8 V RRIO工作電壓和800 nA電源電流。

TI OPAx369系列還解決了低壓運(yùn)算放大器的關(guān)鍵問(wèn)題。在低壓操作中，由于共模電壓的變化，這些器件可能面臨輸入交叉失真。 OPAx369的輸入失調(diào)低至250μV，采用TI的“zer?-crossover”技術(shù)，可在整個(gè)電源范圍內(nèi)保持最小的失真（圖3）。

圖3：德州儀器（TI）的OPAx369運(yùn)算放大器系列可最大限度地減少由于這些類型微功率器件中常見(jiàn)的共模電壓變化引起的輸入交叉失真（德州儀器公司提供）。

結(jié)論

微功率運(yùn)算放大器滿足緩沖和基本要求傳感器應(yīng)用中的信號(hào)調(diào)理。這些器件的典型電流消耗低于1μA，采用能量采集應(yīng)用中常見(jiàn)的單一低壓電源供電。此外，它們的低噪聲特性解決了低壓操作中固有的噪聲靈敏度。使用可用的微功率運(yùn)算放大器，工程師可以實(shí)現(xiàn)能夠在能量收集應(yīng)用中常見(jiàn)的功率限制內(nèi)良好運(yùn)行的傳感器設(shè)計(jì)。