運算放大器的低功耗設(shè)計

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

引言

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

了解運算放大器電路中的功耗

首先，我們會討論具有低靜態(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 時生成 50mV 幅度和50mV偏移的模擬正弦信號。信號需要放大到0V至3V 的范圍以進(jìn)行信號調(diào)節(jié)（圖 1），同時要盡可能節(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（圖片來源: Texas Instruments）

圖 2：傳感器放大電路（圖片來源: Texas Instruments）

運算放大器電路的功耗由多種因素組成，分別是靜態(tài)功率、運算放大器輸出功率和負(fù)載功率。靜態(tài)功率 (或簡稱PQuiescent) 是保持放大器開啟所需的功率，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)格書中的顯示。

圖3：TI OPA391運放的靜態(tài)電流 (圖片來源: Texas Instruments)

輸出功率 ( POutput )是運算放大器輸出級驅(qū)動負(fù)載時消耗的功率。最后，負(fù)載功率 ( PLoad )是負(fù)載本身消耗的功率。

在本例中，我們有一個單電源運算放大器，其正弦輸出信號具有直流電壓偏移。因此，我們將使用以下等式來計算總平均功率 (Ptotal avg) 。電源電壓由V+表示， Voff是輸出信號的直流偏移，Vamp是輸出信號的幅度，RLoad是運算放大器的總負(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中有多個可變項，在選料時最好只考慮一項。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，在這個過程中有一些權(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。

由于不同類型的運算放大器的 IQ 可能存在倍數(shù)級的差異，因此花時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，對于需要最大功率效率的應(yīng)用，TLV8802 將是一個很好的選擇。

表1 : 各類低功耗運算放大器比較表

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。 Vamp項相互抵消，對Ptotal,avg和Voff沒有影響，通常由應(yīng)用中預(yù)先確定。換句話說，系統(tǒng)無法使用Voff來降低功耗。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，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，最好將在每個運算放大器輸入端（見下圖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（圖片來源: Texas Instruments）

現(xiàn)實世界中的例子

使用這些低功耗設(shè)計技術(shù)，讓我們回到最初的問題：在1kHz下生成0到100mV模擬信號的電池供電傳感器需要30V/V的信號放大率。下圖5比較了兩種設(shè)計。左側(cè)的設(shè)計使用典型的3.3V電源、尺寸不考慮節(jié)能的電阻器和 TLV9002通用運算放大器。右側(cè)的設(shè)計使用更大的電阻值和更低功耗的TLV9042運算放大器。請注意，當(dāng)TLV9042反相輸入端等效電阻約為9.667kΩ時，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)計與細(xì)微的設(shè)計（圖片來源: Texas Instruments）

使用圖5中的值、設(shè)計規(guī)范和兩款運算放大器的規(guī)格，可以利用公式6分別得出TLV9002設(shè)計和TLV9042設(shè)計的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)計的功耗是TLV9042設(shè)計的四倍多。這是較高放大器IQ的結(jié)果，亦顯示利用高IQ的運算放大器，就算嘗試使用低反饋電阻值的情況下，亦不會有顯著的功耗節(jié)省。以上例子我們有兩個技巧，就是增加電阻值和選擇具有較低靜態(tài)電流的運算放大器。這兩種策略在大多數(shù)運算放大器應(yīng)用中都可用。

使用低電壓軌省電

再重溫公式 1 和 6 定義具有正弦信號和直流偏移電壓的單電源運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，這也是一個降低功耗的方法。許多運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)。一些運算放大器設(shè)計用于低至1.8V甚至更低的電壓。例如，TLV9042通用運算放大器可以在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會從其標(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。第一次空載測量時，實際端電壓可能接近1.6V。隨著電池放電，該端電壓會下降到1.2V甚至更遠(yuǎn)。

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

1. 運算放大器電路將繼續(xù)工作更長時間，即使電池接近其充電周期的終點并且其端電壓下降。
2. 運算放大器電路可以使用一個1.5V電池工作，而不需要兩個電池來形成3V電源軌。

要了解為什么較低電壓的運算放大器可以從電池中獲得更長的壽命，請考慮圖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。電池的端電壓將開始接近其標(biāo)稱額定值。隨著電池隨時間放電，端電壓會逐漸降低。一旦電池接近充電結(jié)束，電池的端電壓將迅速下降。如果運算放大器電路僅設(shè)計為在接近電池標(biāo)稱電壓的電壓下工作，例如 V1，則電路的工作時間t1將很短。然而，使用能夠在稍低電壓下工作的運算放大器，例如V2，可顯著延長電池的工作壽命t2。

圖6：單節(jié)電池的典型放電曲線（圖片來源: Texas Instruments）

雖然這種影響會因電池類型、電池負(fù)載和其他因素而異，不過很明顯，擁有低運作電源的運算放大器比有較長的運作時間。

低電壓數(shù)字邏輯電平

對數(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。

為了簡化設(shè)計過程，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)勢的。但需要留意的是，如果要求設(shè)計能應(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 (圖片來源: Texas Instruments)

Digi-Key官網(wǎng)的運放參數(shù)篩選工具

在工程師為系統(tǒng)設(shè)計低功耗的運算放大器時，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?，心中有?shù)，進(jìn)而快速完成選型。

圖8：Digi-Key 官網(wǎng)運算放大器參數(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，也是確保運算放大器低功率時可以考慮的另外兩個因素。

（作者：Kevin Chow）