運(yùn)算放大器的低功耗設(shè)計(jì)

近年來(lái)，電池供電電子產(chǎn)品的普及使功耗成為模擬電路設(shè)計(jì)人員越來(lái)越重視的問(wèn)題。本文中將介紹如何使用低功耗運(yùn)算放大器進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，同時(shí)也會(huì)涉及具有低電源電壓能力的低功耗運(yùn)算放大器及其應(yīng)用，并討論如何正確理解運(yùn)算放大器規(guī)格書(shū)中的規(guī)格參數(shù)，綜合考慮電路設(shè)計(jì)上的節(jié)能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)更高效的器件選型。

引言

近年來(lái)，電池供電電子產(chǎn)品的普及使功耗成為模擬電路設(shè)計(jì)人員越來(lái)越重視的問(wèn)題。本文中將介紹如何使用低功耗運(yùn)算放大器進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，同時(shí)也會(huì)涉及具有低電源電壓能力的低功耗運(yùn)算放大器及其應(yīng)用，并討論如何正確理解運(yùn)算放大器規(guī)格書(shū)中的規(guī)格參數(shù)，綜合考慮電路設(shè)計(jì)上的節(jié)能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)更高效的器件選型。

了解運(yùn)算放大器電路中的功耗

首先，我們會(huì)討論具有低靜態(tài)電流 (IQ) 的放大器以及增加反饋網(wǎng)絡(luò)電阻值與功耗的關(guān)系。

讓我們首先考慮一個(gè)可能需要關(guān)注功率的示例電路：電池供電的傳感器在 1kHz 時(shí)生成 50mV 幅度和50mV偏移的模擬正弦信號(hào)。信號(hào)需要放大到0V至3V 的范圍以進(jìn)行信號(hào)調(diào)節(jié)（圖 1），同時(shí)要盡可能節(jié)省電池電量，這將需要增益為 30V/V的同相放大器配置， 如圖 2 所示。那么，我們應(yīng)該如何來(lái)優(yōu)化該電路的功耗呢？

圖 1 : 示例電路中的輸入及輸出信號(hào)（圖片來(lái)源: Texas Instruments）

圖 2：傳感器放大電路（圖片來(lái)源: Texas Instruments）

運(yùn)算放大器電路的功耗由多種因素組成，分別是靜態(tài)功率、運(yùn)算放大器輸出功率和負(fù)載功率。靜態(tài)功率 (或簡(jiǎn)稱PQuiescent) 是保持放大器開(kāi)啟所需的功率，數(shù)據(jù)表中一般以 IQ（靜態(tài)電流）表示，例如下圖中Texas Instruments OPA391規(guī)格書(shū)中的顯示。

圖3：TI OPA391運(yùn)放的靜態(tài)電流 (圖片來(lái)源: Texas Instruments)

輸出功率 ( POutput )是運(yùn)算放大器輸出級(jí)驅(qū)動(dòng)負(fù)載時(shí)消耗的功率。最后，負(fù)載功率 ( PLoad )是負(fù)載本身消耗的功率。

在本例中，我們有一個(gè)單電源運(yùn)算放大器，其正弦輸出信號(hào)具有直流電壓偏移。因此，我們將使用以下等式來(lái)計(jì)算總平均功率 (Ptotal avg) 。電源電壓由V+表示， Voff是輸出信號(hào)的直流偏移，Vamp是輸出信號(hào)的幅度，RLoad是運(yùn)算放大器的總負(fù)載電阻。需要留意的，平均總功率與IQ直接相關(guān)成正比，而與RLoad成反比。

選擇具有合適 IQ 的元器件

由于從以上公式5和6中有多個(gè)可變項(xiàng)，在選料時(shí)最好只考慮一項(xiàng)。選擇具有低IQ的放大器是降低整體功耗的最直接策略。當(dāng)然，在這個(gè)過(guò)程中有一些權(quán)衡。例如，具有較低IQ的設(shè)備通常具有較低的帶寬、較大的噪聲并且可能更難以穩(wěn)定。

由于不同類型的運(yùn)算放大器的 IQ 可能存在倍數(shù)級(jí)的差異，因此花時(shí)間選擇合適的放大器是值得的。以下引用TI TLV9042、OPA2333、OPA391和TLV8802作比較。單純從數(shù)字上的分析，對(duì)于需要最大功率效率的應(yīng)用，TLV8802 將是一個(gè)很好的選擇。

表1 : 各類低功耗運(yùn)算放大器比較表

降低負(fù)載網(wǎng)絡(luò)的電阻值

現(xiàn)在繼續(xù)考慮公式 5 和 6 中的其余項(xiàng)。 Vamp項(xiàng)相互抵消，對(duì)Ptotal,avg和Voff沒(méi)有影響，通常由應(yīng)用中預(yù)先確定。換句話說(shuō)，系統(tǒng)無(wú)法使用Voff來(lái)降低功耗。類似地，V+軌電壓通常由電路中可用的電源電壓設(shè)置。另外，RLoad也是由應(yīng)用預(yù)先確定的。但是，RLoad是包括任何負(fù)載輸出的組件，而不僅是負(fù)載電阻器RL。在圖 1 所示電路的情況下，RLoad將包括RL和反饋組件R1和R2。因此，RLoad將由等式7和8定義如下。

通過(guò)增加反饋電阻的值，系統(tǒng)中放大器的輸出功率亦相應(yīng)降低。當(dāng)Poutput支配PQuiescent時(shí)，此技術(shù)特別有效，但也有其局限性。如果反饋電阻變得明顯大于RL，則RL將主導(dǎo)RLoad，從而使功耗停止下降。大反饋電阻器還會(huì)與放大器的輸入電容相互作用，使電路不穩(wěn)定并產(chǎn)生明顯的噪聲。

為了最大限度地減少這些組件的噪聲產(chǎn)生，最好將在每個(gè)運(yùn)算放大器輸入端（見(jiàn)下圖4）看到的等效電阻的熱噪聲與放大器的電壓噪聲頻譜密度進(jìn)行比較。經(jīng)驗(yàn)法則是確保放大器的輸入電壓噪聲密度規(guī)格至少是從放大器的每個(gè)輸入端觀察到的等效電阻的電壓噪聲的三倍。

圖4：電阻器熱噪聲（圖片來(lái)源: Texas Instruments）

現(xiàn)實(shí)世界中的例子

使用這些低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)，讓我們回到最初的問(wèn)題：在1kHz下生成0到100mV模擬信號(hào)的電池供電傳感器需要30V/V的信號(hào)放大率。下圖5比較了兩種設(shè)計(jì)。左側(cè)的設(shè)計(jì)使用典型的3.3V電源、尺寸不考慮節(jié)能的電阻器和 TLV9002通用運(yùn)算放大器。右側(cè)的設(shè)計(jì)使用更大的電阻值和更低功耗的TLV9042運(yùn)算放大器。請(qǐng)注意，當(dāng)TLV9042反相輸入端等效電阻約為9.667kΩ時(shí)，噪聲頻譜密度是少于放大器的寬帶噪聲的三分之一，以確保運(yùn)算放大器的噪聲在電阻器產(chǎn)生的任何噪聲中占主導(dǎo)地位。

圖5：典型設(shè)計(jì)與細(xì)微的設(shè)計(jì)（圖片來(lái)源: Texas Instruments）

使用圖5中的值、設(shè)計(jì)規(guī)范和兩款運(yùn)算放大器的規(guī)格，可以利用公式6分別得出TLV9002設(shè)計(jì)和TLV9042設(shè)計(jì)的Ptotal,avg。結(jié)果分別顯示于公式 9 和 10 。

從以上結(jié)果得出，TLV9002設(shè)計(jì)的功耗是TLV9042設(shè)計(jì)的四倍多。這是較高放大器IQ的結(jié)果，亦顯示利用高IQ的運(yùn)算放大器，就算嘗試使用低反饋電阻值的情況下，亦不會(huì)有顯著的功耗節(jié)省。以上例子我們有兩個(gè)技巧，就是增加電阻值和選擇具有較低靜態(tài)電流的運(yùn)算放大器。這兩種策略在大多數(shù)運(yùn)算放大器應(yīng)用中都可用。

使用低電壓軌省電

再重溫公式 1 和 6 定義具有正弦信號(hào)和直流偏移電壓的單電源運(yùn)算放大器電路的平均功耗：

另外，從公式6中的V+是代表線路的電源軌 (V+)，它是直接與功耗成正比，所以將電源軌 (V+)設(shè)置為電路中最低可用的電源電壓，這也是一個(gè)降低功耗的方法。許多運(yùn)算放大器的最低電源電壓范圍為2.7V或3.3V。之所以有此限制的原因，與將內(nèi)部晶體管維持在所需工作范圍內(nèi)所需的最低電壓有關(guān)。一些運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)用于低至1.8V甚至更低的電壓。例如，TLV9042通用運(yùn)算放大器可以在1.2V電壓軌下工作。

電池供電的應(yīng)用

當(dāng)今的傳感器和智能設(shè)備大部份是由電池供電，電池的端電壓在放電時(shí)會(huì)從其標(biāo)稱額定電壓降低。例如，一節(jié)堿性AA電池的標(biāo)稱電壓為1.5V。第一次空載測(cè)量時(shí)，實(shí)際端電壓可能接近1.6V。隨著電池放電，該端電壓會(huì)下降到1.2V甚至更遠(yuǎn)。

使用能夠在低至1.2V 的電壓下工作的運(yùn)算放大器而不是更高電壓的運(yùn)算放大器進(jìn)行設(shè)計(jì)，可提供以下優(yōu)勢(shì)：

1. 運(yùn)算放大器電路將繼續(xù)工作更長(zhǎng)時(shí)間，即使電池接近其充電周期的終點(diǎn)并且其端電壓下降。
2. 運(yùn)算放大器電路可以使用一個(gè)1.5V電池工作，而不需要兩個(gè)電池來(lái)形成3V電源軌。

要了解為什么較低電壓的運(yùn)算放大器可以從電池中獲得更長(zhǎng)的壽命，請(qǐng)考慮圖6中所示的電池放電圖。電池通常具有類似于此曲線的放電周期。電池的端電壓將開(kāi)始接近其標(biāo)稱額定值。隨著電池隨時(shí)間放電，端電壓會(huì)逐漸降低。一旦電池接近充電結(jié)束，電池的端電壓將迅速下降。如果運(yùn)算放大器電路僅設(shè)計(jì)為在接近電池標(biāo)稱電壓的電壓下工作，例如 V1，則電路的工作時(shí)間t1將很短。然而，使用能夠在稍低電壓下工作的運(yùn)算放大器，例如V2，可顯著延長(zhǎng)電池的工作壽命t2。

圖6：?jiǎn)喂?jié)電池的典型放電曲線（圖片來(lái)源: Texas Instruments）

雖然這種影響會(huì)因電池類型、電池負(fù)載和其他因素而異，不過(guò)很明顯，擁有低運(yùn)作電源的運(yùn)算放大器比有較長(zhǎng)的運(yùn)作時(shí)間。

低電壓數(shù)字邏輯電平

對(duì)數(shù)字和模擬電路使用低電壓軌的應(yīng)用也可以利用具有低電源電壓能力的低功耗運(yùn)算放大器。數(shù)字邏輯具有從5V到1.8V及以下的標(biāo)準(zhǔn)電壓電平（圖 7）。與運(yùn)算放大器電路一樣，數(shù)字邏輯在較低電壓下變得更加節(jié)能。因此，較低的數(shù)字邏輯電平通常更可取。

為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程，您可以選擇為您的模擬和數(shù)字電路使用相同的電源電壓電平。在這種情況下，具有1.8V能力的運(yùn)算放大器（例如高精度、寬帶寬OPA391或成本優(yōu)化的TLV9001）可以證明是有其優(yōu)勢(shì)的。但需要留意的是，如果要求設(shè)計(jì)能應(yīng)用于1.2V數(shù)字軌，線路系統(tǒng)中必須確保清除任何可能從數(shù)字電路泄漏到模擬設(shè)備電源引腳的噪聲。

圖 7：標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平 (圖片來(lái)源: Texas Instruments)

Digi-Key官網(wǎng)的運(yùn)放參數(shù)篩選工具

在工程師為系統(tǒng)設(shè)計(jì)低功耗的運(yùn)算放大器時(shí)，Digi-Key 官網(wǎng)的參數(shù)篩選工具可以協(xié)助工程師進(jìn)行選料，例如：「 電流 - 供電」，可以讓工程師了解運(yùn)算放大器需電流；「電壓 - 供電，單/雙 (±)」，即如文章中所描述的低電源軌要求，在這里，工程師能夠?qū)﹄娫窜壱荒苛巳唬闹杏袛?shù)，進(jìn)而快速完成選型。

圖8：Digi-Key 官網(wǎng)運(yùn)算放大器參數(shù)篩選工具

總結(jié)

在本文中，我們介紹了如何利用運(yùn)算放大器的參數(shù)規(guī)格快速找出能提供低功耗特性的運(yùn)算放大器，這些方法包括在頻寬容許下，選擇低靜態(tài)電流的運(yùn)算放大器，以及在反饋電路中選擇較大數(shù)值的電阻器。選擇使用低電壓軌及低電壓數(shù)字邏輯電平，也是確保運(yùn)算放大器低功率時(shí)可以考慮的另外兩個(gè)因素。

（作者：Kevin Chow）