低静态电流对运算放大器很重要的原因

运算放大器 - 或您可能称之为运算放大器 - 长期以来一直是模拟电路中的关键组成部分。即使在我们的数字时代也是如此，因为运算放大器被用来处理有用的功能，如反馈控制、微分、加法、乘法和积分。

在数字系统中，它们是模数转换器 （ADC）、数模转换器 （DAC）、缓冲器和稳压电源等应用中的便捷组件。将它们视为模拟保险——它们在确保设计中的电压水平处于应有的水平方面发挥着重要作用。

它们还发挥重要的信号调节作用，确保模拟信号在转换为数字信号之前是干净的。

既然我们的设计界有更多的电池供电产品——其中许多都是小尺寸的——运算放大器的功耗受到了更多的关注。对于便携式应用，运算放大器必须在较低且通常为单一的正电源电压下工作。它们还必须消耗更少的电流。但是，尽管有这些规范，一些运算放大器仍需要在更高频率或更低噪声下工作，即使在消耗更少电流的情况下也是如此。

那么设计师需要做什么呢？幸运的是，运算放大器正在不断发展和进步。它们变得更加精确并提供更好的热漂移。电源电流正在减少，零件越来越小。

一些芯片制造商提供面向特定用途的运算放大器。例如，您可能会找到一款专为精密和低噪声而设计的部件，或者另一款提供高电压的部件。可能有低功耗和小封装的口味，还有一些具有低输入偏置电流的 CMOS 输入。对于一系列应用来说都是好消息，包括小型电池供电设计。

降低 I Q 以延长电池寿命 另一个需要密切考虑的规格是静态电流，即电路在不驱动任何负载且其输入不循环时的安静状态。虽然通常是标称的，但静态电流确实对电池寿命有很大影响，尤其是在可穿戴设备、可听设备和物联网传感器节点等设备中。

此类产品通常设计为定期唤醒以执行某些操作，然后滑回待机模式。其他产品类型，例如医用贴片，可能会在被要求使用之前长时间留在储藏室的货架上。对于所有这些产品，良好的用户体验依赖于较长的电池寿命。

电池寿命是根据中央控制单元（如微控制器）的活动、睡眠和休眠电流计算得出的。电源为系统的所有功能块提供能量。有功电流消耗对延长电池寿命有重要影响，但运行时间最终会受到每种电源模式所用时间的影响。

因此，随着睡眠和休眠模式在设备中占据更长的时间段，每个组件的待机电流变得更加关键。对于这些情况，电源的静态电流是系统待机功耗的最大贡献者。这就是为什么使用具有低静态电流的组件构建电源是一个好主意。

例如，考虑由具有以下规格的锂纽扣电池供电的小型设备：

34 mAh（从 3V 到 2V 端子电压）

每年 1% 的自放电，转换为 39nA 自放电电流

10 年使用寿命，390nA 平均负载

现在，对于长时间处于空闲模式的设备，使用具有低静态电流（例如纳安级）的运算放大器可以节省大量能源。例如，每分钟启动 15 毫秒以进行测量的物联网传感系统平均每小时使用 2.5 uA。

使用我们的物联网传感系统示例中的纽扣锂电池（额定值为 34 mAh）应该为电路供电 18.6 个月。即使在低 1.5 uA 的情况下加上运算放大器的损耗，您也可以看到有 60% 的非常可观的损耗。相比之下，如果我们使用具有纳安电流水平的运算放大器，这部分造成的损耗只有 30% 左右。

满足上市时间要求 除了用作分立元件外，运算放大器功能还可以集成到片上系统 （SoC） 设备中。虽然这提供了另一种选择，但使用 SoC 进行设计可以最大限度地降低分立元件提供的灵活性。它还可以延长设计周期，因为应用程序开发人员必须与 SoC 供应商合作并等待其创建符合设计特定规格的芯片。

然而，可穿戴设备、可听设备和物联网节点等产品的开发人员面临着相当大的压力，要在竞争之前将他们的解决方案交到客户手中。当更快的上市时间至关重要时，谨慎的做法是使用具有低静态电流的小型分立运算放大器。

以 Maxim 的 MAX40007 nanoPower 运算放大器为例，它的规格适用于小型电池供电的便携式产品，例如可穿戴设备、智能手机、平板电脑和医疗设备。如图1所示，MAX40007 运算放大器的功耗仅为 750 nA，采用 1.1 x 0.76-mm 晶圆级封装 （WLP）。因此可以快速设计。

图 1：提供最大增益带宽与电源电流比的毫微功耗运算放大器。

凭借其小尺寸和低静态电流，分立运算放大器可以服务于早期设计。并且使用不会占用太多电路板空间或增加任何显着电流消耗的分立部件可能是一个重要的上市时间优势。该运算放大器采用 1.7-V 至 5.5-V 单电源供电，可由为系统微控制器供电的相同 1.8-V、2.5-V 或 3.3-V 标称电源供电。

作为最终应用的示例，请考虑图 2中所示的便携式患者监护设计。在处理器左侧的信号链模块中，您可以看到两个运算放大器可用于过滤来自脉搏血氧仪、安全认证和血压传感器的信号，然后再由 ADC 处理。

图 2：采用低静态电流运算放大器的患者监护设计框图。

作为一种便携式设备，这种患者监护设计可以受益于低静态电流和小尺寸。

总结

自 1940 年代以早期形式出现以来，不起眼的运算放大器已经走过了漫长的道路。一些人甚至认为，随着电子行业向数字设计发展，这部分将变得无关紧要。但运算放大器仍然是一个关键的模拟组件，其设计不断发展以满足新兴应用的需求。特别是具有低静态电流的超小型运算放大器非常适合支持电池供电设备的设计挑战，例如可穿戴设备、可听设备和物联网节点。

审核编辑：郭婷