低功耗運(yùn)放設(shè)計(jì)及在便攜設(shè)備中的應(yīng)用

　　1.概述

　　近年來(lái)，以電池作為電源的電子產(chǎn)品得到廣泛使用，設(shè)計(jì)師迫切要求采用低電壓的模擬電路來(lái)降低功耗。低電壓、低功耗、低噪聲的模擬電路設(shè)計(jì)技術(shù)正成為研究的熱點(diǎn)。從節(jié)約能源角度考慮，低的功率消耗不僅是電池驅(qū)動(dòng)的便攜設(shè)備的需求，即便對(duì)使用市電的大型系統(tǒng)也是迫切需要，它不但可以延長(zhǎng)設(shè)備的使用時(shí)間，也可以延緩設(shè)備的老化。運(yùn)算放大器作為集成電路中最基本的單元，其重要性是眾所周知的。在低壓運(yùn)算放大器中，由于電源電壓的降低，信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍減小，同時(shí)，噪聲信號(hào)幅度相對(duì)增大，放大器的信噪比降低。為了解決這些設(shè)計(jì)問題，帝奧微電子公司專門開發(fā)了幾款低功耗低噪聲運(yùn)放來(lái)滿足這個(gè)市場(chǎng)需求。

　　2. 背景

　　隨著醫(yī)療電子設(shè)備產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，用于個(gè)人保健的移動(dòng)手持式醫(yī)療電子設(shè)備也同樣在快速發(fā)展。不管是手持式除顫儀還是動(dòng)態(tài)血糖監(jiān)視儀，設(shè)計(jì)這類產(chǎn)品都不是一件容易的事。選擇適當(dāng)?shù)脑M足設(shè)計(jì)規(guī)范要求、盡可能降低成本、確保設(shè)計(jì)方案的功率、特別關(guān)注產(chǎn)品的實(shí)際大小等等，都是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中必須考慮的問題。同樣隨著國(guó)人安防安全意識(shí)的提高，煙霧探測(cè)設(shè)備進(jìn)入千家萬(wàn)戶，對(duì)低功耗（電池壽命長(zhǎng)）靈敏度和可靠性高的消防產(chǎn)品設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

　　血壓監(jiān)視儀的結(jié)構(gòu)框圖

　　不論是溫度、脈搏、血糖讀取或其它生物傳感器，實(shí)施適當(dāng)?shù)男盘?hào)放大調(diào)理鏈路都是最重要的問題。在模擬前端電路中，運(yùn)算放大器是最關(guān)鍵的單元，在這種電路中，一般選擇低噪聲，高精度，低功耗，低偏置電流的運(yùn)算放大器。信號(hào)鏈的第一階一般使用高共模抑制比，低偏置電流（特別對(duì)紅外管傳感器），低噪聲的運(yùn)放；第二級(jí)會(huì)選用低功耗，高精度，低噪聲的運(yùn)算放大器。信號(hào)鏈下一階是良好的Delta-Sigma或逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。單周期濾波器設(shè)置及隨需轉(zhuǎn)換等特性簡(jiǎn)化了ADC的設(shè)計(jì)要求，也提高了轉(zhuǎn)換速度，并提供了較大的源阻抗。利用適當(dāng)?shù)牟季旨霸x擇，可將一個(gè)干凈、精確而有意義的信號(hào)輸入到系統(tǒng)微處理器/DSP中。

　　煙感結(jié)構(gòu)框圖

　　煙霧傳感器構(gòu)成的報(bào)警器，能及時(shí)報(bào)告火警。在煙霧傳感器中，安裝著一種對(duì)煙霧氣特別敏感的半導(dǎo)體材料，如氧化錫、氧化鋅等，因而亦稱它們?yōu)闅饷舨牧稀Ｔ谟袩熿F氣的環(huán)境中，當(dāng)煙霧氣的濃度達(dá)到一定量值時(shí)，氣敏材料內(nèi)部的電阻值就會(huì)迅速下降。一旦煙霧氣消失，它們的電阻值又會(huì)恢復(fù)正常。另外一種煙霧檢測(cè)的方法是，利用紅外光線被煙霧遮擋而造成紅外接收測(cè)電流變化而報(bào)警的原理。光電方式又分前向散射與后向散射探測(cè)方式，傳感器安裝在光學(xué)迷宮里，沒有煙霧時(shí)傳感器接收不到或只接收到很微弱的光信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大器放大，邏輯判斷電路不做報(bào)警處理，有煙霧進(jìn)入迷宮時(shí)，光線照射到煙霧粒子上產(chǎn)生散射，傳感器接收到比較強(qiáng)的光信號(hào)，經(jīng)放大后，邏輯報(bào)警電路發(fā)出警報(bào)信號(hào)。在這些應(yīng)用中，運(yùn)算放大器是其中的關(guān)鍵器件，要求超低功耗，低偏置電流，低噪聲。

　　3. 帝奧微電子DIO2051/2052的應(yīng)用

　　帝奧微電子為了滿足這些市場(chǎng)的需要，特開發(fā)了一款DIO2051/2052芯片來(lái)滿足客戶的需求。DIO2052/DIO2051 有寬的共模輸入范圍和寬的輸出電壓擺幅，電源工作電壓從2.1V到5.5V，溫度工作范圍從-40℃到125℃。

　　DIO2052/DIO2051的Bandwidth是500kHz，每個(gè)通道的靜態(tài)功耗是1６uA。采用CMOS的輸入，可以得到非常低的輸入偏置電流（0.5pA）。電源電壓為５Ｖ，電阻負(fù)載是５Ｋ歐姆的條件下，輸出范圍可以達(dá)到０。１～４。９Ｖ，如表１所示。高的ＣＭＲＲ和ＰＳＲＲ，如表２所示。低的靜態(tài)功耗，如表３所示。同時(shí)，DIO2052/DIO2051具有低的Offset（小于１ｍＶ），低的輸入噪聲，在大于＞１０ｋＨｚ，２０ｎＶ／Ｓｑｒｔ（Ｈｚ），如表４所示。

　　表 1 在不同的電阻負(fù)載條件下，輸入輸出曲線

　　表 2 ＰＳＲＲ和ＣＭＲＲ

　　表 3　靜態(tài)功耗隨電源電壓變化曲線

　　表 4　等效的輸入噪聲