無線傳感器由環(huán)境能源提供支持，處于行業(yè)趨勢的最前沿，如M2M應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)（IoT）運(yùn)動和一般自動化系統(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。通過從太陽能，振動，溫度或射頻源獲取能量，無線傳感器系統(tǒng)可以保持運(yùn)行多年而無需更換電池，或者有時根本不使用它們。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。它們采用單個低壓電源供電的能力簡化了設(shè)計，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。

對于功耗更高的應(yīng)用，ROHM Semiconductor BU7265在正常工作時僅需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)計人員會發(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)計時也會帶來額外的挑戰(zhàn)。通過限制輸出電壓擺幅，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操作通過允許完整的軌到軌輸出擺幅和包括一個或兩個電源軌的輸入電壓范圍來改善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)的動態(tài)范圍和信噪比。

除了降低信號范圍外，還要求低 - 電壓操作會通過提高電路中的本底噪聲來降低SNR。在減少有限能量收集電源的負(fù)載的同時，低電源電流操作會導(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)成為一個重要的設(shè)計參數(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)用中常見的功率限制內(nèi)良好運(yùn)行的傳感器設(shè)計。