運算放大器 - 或您可能稱之為運算放大器 - 長期以來一直是模擬電路中的關鍵組成部分。即使在我們的數字時代也是如此，因為運算放大器被用來處理有用的功能，如反饋控制、微分、加法、乘法和積分。

在數字系統中，它們是模數轉換器 （ADC）、數模轉換器 （DAC）、緩沖器和穩壓電源等應用中的便捷組件。將它們視為模擬保險——它們在確保設計中的電壓水平處于應有的水平方面發揮著重要作用。

它們還發揮重要的信號調節作用，確保模擬信號在轉換為數字信號之前是干凈的。

既然我們的設計界有更多的電池供電產品——其中許多都是小尺寸的——運算放大器的功耗受到了更多的關注。對于便攜式應用，運算放大器必須在較低且通常為單一的正電源電壓下工作。它們還必須消耗更少的電流。但是，盡管有這些規范，一些運算放大器仍需要在更高頻率或更低噪聲下工作，即使在消耗更少電流的情況下也是如此。

那么設計師需要做什么呢？幸運的是，運算放大器正在不斷發展和進步。它們變得更加精確并提供更好的熱漂移。電源電流正在減少，零件越來越小。

一些芯片制造商提供面向特定用途的運算放大器。例如，您可能會找到一款專為精密和低噪聲而設計的部件，或者另一款提供高電壓的部件。可能有低功耗和小封裝的口味，還有一些具有低輸入偏置電流的 CMOS 輸入。對于一系列應用來說都是好消息，包括小型電池供電設計。

降低 I Q 以延長電池壽命 另一個需要密切考慮的規格是靜態電流，即電路在不驅動任何負載且其輸入不循環時的安靜狀態。雖然通常是標稱的，但靜態電流確實對電池壽命有很大影響，尤其是在可穿戴設備、可聽設備和物聯網傳感器節點等設備中。

此類產品通常設計為定期喚醒以執行某些操作，然后滑回待機模式。其他產品類型，例如醫用貼片，可能會在被要求使用之前長時間留在儲藏室的貨架上。對于所有這些產品，良好的用戶體驗依賴于較長的電池壽命。

電池壽命是根據中央控制單元（如微控制器）的活動、睡眠和休眠電流計算得出的。電源為系統的所有功能塊提供能量。有功電流消耗對延長電池壽命有重要影響，但運行時間最終會受到每種電源模式所用時間的影響。

因此，隨著睡眠和休眠模式在設備中占據更長的時間段，每個組件的待機電流變得更加關鍵。對于這些情況，電源的靜態電流是系統待機功耗的最大貢獻者。這就是為什么使用具有低靜態電流的組件構建電源是一個好主意。

例如，考慮由具有以下規格的鋰紐扣電池供電的小型設備：

34 mAh（從 3V 到 2V 端子電壓）

每年 1% 的自放電，轉換為 39nA 自放電電流

10 年使用壽命，390nA 平均負載

現在，對于長時間處于空閑模式的設備，使用具有低靜態電流（例如納安級）的運算放大器可以節省大量能源。例如，每分鐘啟動 15 毫秒以進行測量的物聯網傳感系統平均每小時使用 2.5 uA。

使用我們的物聯網傳感系統示例中的紐扣鋰電池（額定值為 34 mAh）應該為電路供電 18.6 個月。即使在低 1.5 uA 的情況下加上運算放大器的損耗，您也可以看到有 60% 的非常可觀的損耗。相比之下，如果我們使用具有納安電流水平的運算放大器，這部分造成的損耗只有 30% 左右。

滿足上市時間要求 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） 設備中。雖然這提供了另一種選擇，但使用 SoC 進行設計可以最大限度地降低分立元件提供的靈活性。它還可以延長設計周期，因為應用程序開發人員必須與 SoC 供應商合作并等待其創建符合設計特定規格的芯片。

然而，可穿戴設備、可聽設備和物聯網節點等產品的開發人員面臨著相當大的壓力，要在競爭之前將他們的解決方案交到客戶手中。當更快的上市時間至關重要時，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。

以 Maxim 的 MAX40007 nanoPower 運算放大器為例，它的規格適用于小型電池供電的便攜式產品，例如可穿戴設備、智能手機、平板電腦和醫療設備。如圖1所示，MAX40007 運算放大器的功耗僅為 750 nA，采用 1.1 x 0.76-mm 晶圓級封裝 （WLP）。因此可以快速設計。

圖 1：提供最大增益帶寬與電源電流比的毫微功耗運算放大器。

憑借其小尺寸和低靜態電流，分立運算放大器可以服務于早期設計。并且使用不會占用太多電路板空間或增加任何顯著電流消耗的分立部件可能是一個重要的上市時間優勢。該運算放大器采用 1.7-V 至 5.5-V 單電源供電，可由為系統微控制器供電的相同 1.8-V、2.5-V 或 3.3-V 標稱電源供電。

作為最終應用的示例，請考慮圖 2中所示的便攜式患者監護設計。在處理器左側的信號鏈模塊中，您可以看到兩個運算放大器可用于過濾來自脈搏血氧儀、安全認證和血壓傳感器的信號，然后再由 ADC 處理。

圖 2：采用低靜態電流運算放大器的患者監護設計框圖。

作為一種便攜式設備，這種患者監護設計可以受益于低靜態電流和小尺寸。

總結

自 1940 年代以早期形式出現以來，不起眼的運算放大器已經走過了漫長的道路。一些人甚至認為，隨著電子行業向數字設計發展，這部分將變得無關緊要。但運算放大器仍然是一個關鍵的模擬組件，其設計不斷發展以滿足新興應用的需求。特別是具有低靜態電流的超小型運算放大器非常適合支持電池供電設備的設計挑戰，例如可穿戴設備、可聽設備和物聯網節點。

審核編輯：郭婷