便攜式醫療監測儀器、助聽器和安全監測設備都是必須使用電池運行并持續運行很長時間的產品示例。由于尺寸限制，可用功率在電源電壓和電流方面受到嚴重限制。

這些應用的放大器必須在這些低電壓下工作，并且消耗的電流非常小。此外，它們的輸入和輸出信號范圍應盡可能寬，以獲得足夠的動態范圍（滿量程信噪比）。最好的器件的輸出電壓可以從正電源擺動到地，輸入范圍甚至可以超過電源范圍。能夠達到兩個電源“軌”的放大器稱為軌到軌放大器。

要為這些應用選擇放大器，首先要考慮所需的性能，而不是制造工藝。低功耗產品采用CMOS、雙極性和JFET工藝，但您不應先入為主地看待每種產品的性能范圍。

直到最近，CMOS低壓設計還不適用于精密低壓操作。CMOS工藝具有相對較高的閾值電壓，范圍為1.8至2.1伏。由于大多數放大器設計至少需要兩個V千s工作時，即使在室溫下，最低電源電壓也> 3 V。

雙極性設計，如CMOS，至少需要兩個晶體管壓降;但這些滴是V是s，因此在 1.8 伏電壓下操作非常實用。OP293*雙通道運算放大器等放大器保證工作電壓為2 V，工作電壓低至1.7 V。但是，必須注意確保在低溫下保持功能，因為 V是隨著溫度的降低而增加（約-2 mV/°C）。因此，在-25°C下工作將需要超出最小室溫工作電壓的額外100 mV或更多裕量。

目前，沒有同時具有軌到軌輸入和輸出的JFET運算放大器;AD820系列的軌到軌輸出最接近。JFET運算放大器在需要低噪聲、低偏置電流或寬帶寬的應用中非常有利。

微功耗設計的局限性：與標準運算放大器相比，低電流放大器在帶寬、輸出驅動和噪聲水平方面相對有限。每個參數的值取決于設計過程中可用的技術。如今，微功率放大器可以實現10 kHz/μA的速度/功率比;明年這一數字將增加一倍以上。因此，可以構建增益帶寬積超過兆赫茲的放大器，工作在低于100 mA的電源電流下。OP496就是當今可能的一個例子。其 GBP 大于 300 kHz，同時僅使用 45 μA 電源電流。

放大器寬帶噪聲取決于前端電流、晶體管尺寸和處理過程。由于低功耗和13個通常更小的幾何結構，低功耗設計的輸入參考噪聲通常相對較高。OP496系列的26 nV/√Hz再次展示了當今技術的能力。

輸出驅動在很大程度上取決于可用于驅動放大器輸出級的電流。與標準放大器不同，軌到軌設計不能使用達林頓或類似配置來提升電流。在這些設計中，與高電流相關的電壓降增加是不可接受的，因此輸出驅動通常僅限于微安;但某些產品設計（如OP293*）可以輸出±8 mA電流，即使它只需要25 μA的靜態電源電流。

另一個輸出要求是灌電流和拉電流的能力。這將使輸出在兩個方向上以相同的速度擺動。如果輸出不能吸收電流，則需要增加下拉電阻。當然，這會使用不必要的電流，并破壞使用這種放大器來節省功率的目的。

確定低電壓下正常工作的極限：以下是確定放大器在電壓降低時是否真正工作的三種便捷方法：正弦波測試、失調電壓測試和電源電流測試。前兩個測試分別用于檢查交流和直流性能;第三種是通用測試。

正弦波測試是這些測試中最簡單的。連接放大器以獲得 1 到 2 之間的增益，并提供放大器共模范圍內的輸入正弦波。查看示波器上的輸出波形或測量其失真。隨著電源電壓的降低，波形會明顯失真。在達到這一點之前是最小工作電壓。

要執行失調與電源電壓測試，請以高增益配置連接放大器并將輸入接地。應設置增益，使輸出端的放大失調約為 1 伏。從已知放大器正常工作的電源電壓開始，然后測量并記錄輸出（失調）。降低電源并繼續記錄電源電壓和失調。繪制這些值時，隨著電源的進一步降低，您通常會在圖中看到失調迅速惡化的拐點，略低于正常工作所需的最小電源電壓。

隨著工作電壓的降低，內部偏置電路開始關斷。乍一看，放大器似乎仍然可以工作，但性能可能會大幅下降。此外，隨著電壓的進一步降低，其他結構可能會關閉。由于放大器的電源電流受到這些變化的影響，因此它可以作為漸進變化的代理，在性能的特定方面可能更難觀察到。要確定這些點，請繪制電源電流與電源電壓的關系圖。曲線中可能有幾個彎道，每個彎道都表明進一步退化。

應用

微功率電話耳機：使用帶有兩個296.2 V電源的OP5*，耳機可以使用電池供電。選擇阻抗為 600 Ω的耳機，以保持較低的電流消耗。該電路可在低至 2 伏的電壓下正常工作。如圖所示，失真低于1%至5 kHz。

圖1.耳機放大器，帶有總諧波失真圖。

脈搏監測儀：心電監護儀需要隔離，以保護患者免受任何可能使危險電流流過身體的故障的影響。使用非常低功率的放大器，心電圖放大器（用作脈沖監測器）可以從弱到無法提供危險電流水平的電源供電。例如，這里有一個可用于運動或其他監測的電路（但不打算用于生命支持系統）。

該電路有三個輸入（來自一組測量電極）、一對檢測輸入和一個基準返回輸入。

前端是標準的三放大器差分電路。第一級的增益由RG設置。50 到 150 的收益效果很好。電阻值的選擇略高于平時，以降低電流消耗。輸出級的增益為10 V/V，應設置為400至1000 Hz的滾降，速度足以通過ECG波形，但濾除高頻噪聲。

圖2.脈沖放大器，具有典型波形。

由于高增益和低信號電平，電路需要仔細布局。所有引線應保持短路，以減少感應噪聲。兩個檢測輸入應為雙絞線，由基準引線屏蔽。

該脈沖監控電路設計為由兩節小型鋰電池供電，因此可以長時間用于便攜式應用，例如運動監測。OP493*保證采用低至2 V電源供電，總電源電流僅為100 μA，確保電池壽命長。（例如，鋰電池的額定電壓為3.6至4.2伏，但在放電至標稱電壓的一半時仍會提供電流。

比較儀：放大器通常用作比較器，因為具有各種規格的放大器的便利性和可用性。在精密比較器應用中，通常更容易找到滿足一組給定標準的放大器，尤其是在需要低功耗的情況下。較新的放大器具有軌到軌輸入和輸出，是出色的比較器，只需要一個簡單的增益模塊，只需要一個額外的元件。

OP196*采用同相配置，可以設計出軌到軌輸入范圍的精密比較器，電源電流僅為50 μA。 典型的下降沿和上升沿傳播延遲為12 μs和20 μs，時鐘速率可達25 kHz。與 R1=10kΩ 和 R（1） =1 MΩ，遲滯測量值約為 70 mV。與 R1接近0 Ω時，遲滯僅為約100 μV。

圖3.同相比較器。

*OP493和OP496四通道器件是OP193/293/493和OP196/296/496單/雙/四通道器件系列的代表。

審核編輯：郭婷