運(yùn)算放大器功耗與性能的權(quán)衡

高性能，低功耗：越來越多的應(yīng)用需要滿足這一需求，尤其是由電池供電的移動(dòng)設(shè)備。特別是在物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)4.0和數(shù)字化時(shí)代，這些手持設(shè)備大大方便了人們的日常生活。從移動(dòng)生命體征監(jiān)測到工業(yè)環(huán)境中的機(jī)器和系統(tǒng)監(jiān)測，很多應(yīng)用紛紛受益。智能手機(jī)和可穿戴設(shè)備等終端用戶產(chǎn)品也要求更高的性能和更長的電池壽命。

因?yàn)樘峁╇娫吹碾姵仉娔苡邢?，所以需要在使用消耗電流最小的元件，以最大限度延長設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間?；蛘撸ㄟ^降低功耗，使低容量電池也可以實(shí)現(xiàn)相同的電池壽命，同時(shí)減小尺寸、重量和成本。溫度管理同樣不容忽視。同樣，更高效的元件也起積極作用。冷卻管理需要占用空間，如果產(chǎn)生的熱量減少，占用的空間也會(huì)減少。目前，市面上提供多種低功耗，甚至是超低功耗(ULP)元件。本文著重探討低功耗運(yùn)算放大器。

功耗與性能的權(quán)衡

在選擇合適的放大器時(shí)，往往需要考慮運(yùn)算放大器的功耗，并做出權(quán)衡。

低功耗往往也意味著低帶寬。但是，這也取決于給定的放大器架構(gòu)和穩(wěn)定性要求。寄生電容和電感越高，通常帶寬越低。例如，電流反饋放大器提供相對(duì)較高的帶寬，但精準(zhǔn)度較低。我們可以使用一些技巧來提高帶寬-功率比。

例如，增益帶寬積(GBW)一般如下：

G_m表示跨導(dǎo)，或者是輸出電流和輸入電壓之比(I_OUT/V_IN)，C表示內(nèi)部補(bǔ)償電容。

增加帶寬的典型方法是增加偏置電流，這會(huì)使G_m增加，但會(huì)消耗更多功率。為了保持低功率，我們不愿意如此。

通常，補(bǔ)償電容會(huì)設(shè)置主極點(diǎn)，所以理想情況下，負(fù)載電容根本不會(huì)影響帶寬。

受放大器的物理特性限制，電容較低時(shí)，通?？梢垣@得更高帶寬，但這也會(huì)影響穩(wěn)定性，在低噪聲增益下，其穩(wěn)定性會(huì)得到提高。但是，實(shí)際上，我們無法在更低噪聲增益下驅(qū)動(dòng)大型的純電容負(fù)載。

在使用低功耗運(yùn)算放大器時(shí)，需要權(quán)衡的另一因素是通常較高的電壓噪聲。但是，輸入電壓噪聲是放大器最主要的噪聲（占總輸出寬帶噪聲的一部分），但也可能是電阻噪聲?？傇肼曌钪饕牟糠挚赡軄碜杂谳斎爰?jí)中的噪聲源（例如，集電極產(chǎn)生散射噪聲，漏極產(chǎn)生熱噪聲）。1/f噪聲（閃爍噪聲）因架構(gòu)而異，是由元件材料中的特殊缺陷引起的。所以，它一般取決于元件的大小。相反，電流噪聲在更低的功率電平下通常更低。但也不容忽視，尤其是在雙極放大器中。在1/f區(qū)域，1/f電流噪聲是放大器輸出端的總1/f噪聲的主要來源。其他權(quán)衡因素包括失真性能和漂移值。低功耗運(yùn)算放大器通常表現(xiàn)出更高的總諧波失真(THD)，但是和電流噪聲一樣，雙極放大器中的輸入偏置和失調(diào)電流會(huì)隨著電源電流降低而降低。失調(diào)電壓是運(yùn)算放大器的另一個(gè)重要指標(biāo)。一般可通過調(diào)整輸入端元件來降低影響，因此不會(huì)在低功率下導(dǎo)致性能大幅降低，所以VOS和VOS漂移在功率范圍內(nèi)是恒定的。外部電路和反饋電阻(RF)也會(huì)影響運(yùn)算放大器的性能。電阻值較高時(shí)，動(dòng)態(tài)功率和諧波失真會(huì)降低，但它們會(huì)增大輸出噪聲，以及與偏置電流相關(guān)的誤差。

為了進(jìn)一步降低功耗，許多設(shè)備都提供待機(jī)或睡眠功能。這樣重要設(shè)備功能在閑置時(shí)可以停用，根據(jù)需要重新激活。低功耗放大器的喚醒時(shí)間通常更長。表1對(duì)前文所述的權(quán)衡因素進(jìn)行了歸納和匯總。

表1 低功耗運(yùn)算放大器的權(quán)衡

ADA4945-1雙極性差分放大器妥善地權(quán)衡了上述這些特性。它具有低直流失調(diào)、失調(diào)溫漂和出色的動(dòng)態(tài)性能，非常適合多種高分辨率、功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理應(yīng)用，這些應(yīng)用通常需要使用驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)ADC，如圖1所示，由ADA4945-1驅(qū)動(dòng)AD4022 ADC。 ADA4945-1可配置多種功率模式，您可以在特定轉(zhuǎn)換器上更好地權(quán)衡性能與功率。例如，在全功率模式下，可與AD4020配對(duì)，降低至低功耗模式后，可以適應(yīng)AD4021或AD4022的低采樣速率。

圖1 高分辨率數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的簡化信號(hào)鏈?zhǔn)纠?/em>

作者簡介

Thomas Brand于2015年加入德國慕尼黑的ADI公司，當(dāng)時(shí)他還在攻讀碩士。畢業(yè)后，他參加了ADI公司的培訓(xùn)生項(xiàng)目。2017年，他成為一名現(xiàn)場應(yīng)用工程師。Thomas為中歐的大型工業(yè)客戶提供支持，并專注于工業(yè)以太網(wǎng)領(lǐng)域。他畢業(yè)于德國莫斯巴赫的聯(lián)合教育大學(xué)電氣工程專業(yè)，之后在德國康斯坦茨應(yīng)用科學(xué)大學(xué)獲得國際銷售碩士學(xué)位。聯(lián)系方式：thomas.brand@analog.com。