如何使低功耗放大器在便攜式產(chǎn)品中提高性能

作者：John Ardizzoni，美國ADI公司

自我年青時代使用7個晶體管的對講機和AM收音機以來，我們已走過了很長的路。單一功能的設(shè)備已不能滿足要求，現(xiàn)在便攜式電子產(chǎn)品已兼具多種功能：手表可以當(dāng)成電視搖控器；手機可以用做照相機和計算器；MP3播放器就是收音機、移動存儲器設(shè)備和相冊；PDA同時也是日歷、相機、手機和手持游戲機；還有好些新功能，不勝枚舉。我們已處在這樣一個時代：我們很難想起這些設(shè)備的主要功能究竟是什么。由于我們向便攜式電子設(shè)備中添加了越來越多的功能，也對這些設(shè)備的電源增加了更多的負擔(dān)。

即便是在那些AA、AAA和9V電池盛行的日子里，我們也不想拖著個車用電池來為所有這些附加功能提供電源。目前，電子器件首選電池是鋰離子充電電池，這種電池充電時間短，并可使用數(shù)小時，待機時間也多達幾周。電源管理和電池監(jiān)控電路技術(shù)孕育了一種新的產(chǎn)品家族，其唯一目的是有效地管理電源以延長工作時間。電源管理及電池技術(shù)的進步已對電池壽命的延長有所幫助，但這只是我們要說明的一個部分。真正的意圖是使集成電路(IC)做到更有效、體積更小的同時具有更強大的功能。當(dāng)今的IC要求低電壓運行、提供更大帶寬、更快轉(zhuǎn)換時間、更多字節(jié)數(shù)和較少失真，并用比上一代IC使用的還要少的電流來實現(xiàn)所有這些要求。

如今，視頻功能正成為了眾多便攜式設(shè)備的普通功能，像個人媒體播放器和手機。在與大的團體分享圖片時，手持設(shè)備的體積和分辨率的局限性也顯露出來，然而，視頻輸出的需求也由此產(chǎn)生。但是，這種新特色的出現(xiàn)會從另一方面使電池耗盡。此外，這種設(shè)備的視頻輸出通常是輔助功能，在正常使用時視頻驅(qū)動器通常處理關(guān)閉狀態(tài)。因此設(shè)計附加視頻電路時，工作電流和低功耗電流這兩個關(guān)鍵參數(shù)均成為有待解決的問題。

要更為深入地考察當(dāng)今工程師在待機、工作和靜態(tài)電流上面臨的挑戰(zhàn)，有兩個設(shè)計例子要在此作介紹。在第一個例子中，MP3播放器視頻輸出部分的設(shè)計要求已進行了計論；在該例子中，設(shè)計考慮的主要因素是工作電流和電路板面積。第二種例子中，主要考慮待機電流的同時，解決超低功耗緩沖器應(yīng)用的問題。

具有視頻輸出功能的MP3播放器

該設(shè)計中，要在MP3播放器增加一個復(fù)合視頻輸出級。該電路必須提供一個具有6MHz截止頻率、增益為+2的低通濾波，并工作在3-V電源條件下，所消耗的靜態(tài)電流小于3mA、待機電流小于15μA，能夠驅(qū)動150Ω負荷并占據(jù)最小電路板。成本始終是考慮因素，但在這些設(shè)計例子中暫忽略不計。

圖1顯示了一個具有離散有源濾波輸出級的典型視頻數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)/編碼器。有源濾波電路通常被視為一種“重建濾波器”。這種重建濾波器有助于消除在視頻DAC采樣過程中產(chǎn)生的多重圖像。這種濾波器利用一個運算放大器和多個分立元件來構(gòu)成一個具有增益的2極點的Sallen-Key低通濾波器，用于驅(qū)動75Ω的視頻負載。

圖1：具有離散重建濾波器的視頻DAC

根據(jù)以上設(shè)計規(guī)范，視頻運算放大器如ADI公司的ADA4853-1就是一個不錯的選擇。當(dāng)ADA4853放大器符合電氣規(guī)范時，還需要額外的元件以符合該例子的整體設(shè)計要求。對分立元件濾波器的一個替代方案是完全集成濾波器。采用集成方案會占用較少空間、更為穩(wěn)定并縮短設(shè)計時間，在大多數(shù)情況下，不失為一個富有成效的解決方案。當(dāng)采用集成方案時，可達到的簡化效果見圖2。

圖2：具有ADA4430集成放大器和濾波器的視頻DAC

給定兩種選擇方案，工程師要對兩種方案的電路性能、電流消耗和體積(如前所述，成本始終是一個考慮因素)予以權(quán)衡。視頻運算放大器對于該應(yīng)用也是一個極佳的選擇，并且較之于如ADI公司的ADA4430這樣的集成視頻濾波器，是一種具有更低功耗的方案。然而，視頻濾波器具有較高的供應(yīng)電流，但仍符合所有的目標規(guī)范，且只需要較少元件，使該方案成為該應(yīng)用的較佳選擇。

超低功耗緩沖器

該應(yīng)用針對便攜式娛樂設(shè)備中的25MHz時鐘緩沖器電路。該方案中的主要設(shè)計難題在于待機電流。這種應(yīng)用的電源是僅能供應(yīng)87mAhr的鋅空氣電池。其主要規(guī)格是：小于0.1μA的待機電流(分配到電路該部分的整個待機電流僅10μA)、小占位面積、3V工作電壓、小于3mA電源電流、整個電路面積為1cm2和帶寬為100MHz。

傳統(tǒng)意義上，采用一個外置FET導(dǎo)通三極管即可滿足小于0.1μA的待機電流要求，如圖3所示。但是，這會增加元件并大大占用分配到該電路的寶貴的電路板面積。在FET及相關(guān)電路中采用儲如ADG842這樣的模擬開關(guān)會簡化設(shè)計，但仍需要額外的電路板空間。

圖3：關(guān)斷電路

該應(yīng)用的一個理想方案是高速電壓反饋，像ADI公司的ADA4850這樣的軌至軌輸出運算放大器。這種器件使設(shè)計工程師無須考慮外置FET和周圍電路，簡化了布局，減少了電路面積從而滿足1cm2的電路板分配面積的要求。

在選擇元件及電路結(jié)構(gòu)以符合系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范時，設(shè)計工程師要不斷地面臨折衷且必須對所有系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范進行權(quán)衡。在便攜式電子的設(shè)計競賽中，工程師要具備針對待機電流的要求對工作電流進行折衷的能力，反之亦然；與此同時，要不斷考慮價格、電路板面積和簡化設(shè)計的要求來提高性能。

隨著便攜式電子產(chǎn)品體積的壓縮及制造商們對這些設(shè)備不斷增添新的功能，半導(dǎo)體公司將需要深化其開發(fā)努力以提供更高效的元件，并增加每一塊芯片的集成水平和功能特性。這種不斷的發(fā)展將使未來的設(shè)計工程師使用較少電路板面積、較高的速度、在較低電源電流/電壓上運行，并能為下一代便攜式電子產(chǎn)品的終端客戶提供更高的價值。

作者簡介

John Ardizzoni是ADI公司高速放大器組的應(yīng)用工程師，John于1988年畢業(yè)于美國馬力馬克學(xué)院并取得電子工程學(xué)學(xué)士學(xué)位，2002加入該公司，作者聯(lián)系方式是：john.ardizzoni@analog.com。