運(yùn)算放大器功耗怎么計(jì)算？電路原理分析+設(shè)計(jì)實(shí)例

作者：時(shí)間：2024-06-28 來(lái)源：李工談元器件

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今天給大家分享的是：運(yùn)算放大器電路中的功耗計(jì)算。

本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/202406/460461.htm

一、了解運(yùn)算放大器電路中的功耗

首先，研究具有低靜態(tài)電流（IQ）的放大器，以及改變反饋網(wǎng)絡(luò)的電阻會(huì)對(duì)功耗有什么影響。

參考以下電路，該電路使用電池供電的傳感器來(lái)生成1KHz時(shí)幅度為50mV且偏移為50mV的模擬正弦信號(hào)。

對(duì)于信號(hào)調(diào)節(jié)，信號(hào)必須增加到 0V-3V范圍（如下圖所示）。

示例電路中的輸入和輸出信號(hào)

為了盡可能節(jié)省電池量，需要增益為 30 的同相放大器架構(gòu) ，如下圖。那我們應(yīng)該怎么降低電路的功耗呢？

傳感器放大器電路

靜態(tài)功率、運(yùn)算放大器輸出功率和負(fù)載功率都會(huì)影響運(yùn)算放大器電路的功耗。靜態(tài)功率是保持放大器開啟所需的功率，通常在 Datasheet 中寫為 IQ（靜態(tài)電流），如下所示：

運(yùn)放的靜態(tài)電流

驅(qū)動(dòng)負(fù)載時(shí)運(yùn)算放大器輸出級(jí)使用的功率稱為輸出功率。最后，負(fù)載功率是指負(fù)載消耗的能量。

在這個(gè)例子中，有一個(gè)單電源運(yùn)算放大器，其輸出信號(hào)具有直流電壓偏置，因此，我們將應(yīng)用下面的等式來(lái)計(jì)算總體平均功率。

V+是電源電壓
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

需要注意的是，總功率與 IQ 相關(guān)，與 RLoad 成反比。

各類數(shù)值計(jì)算

二、選擇具有正確 IQ 的組件

由于上圖中的等式 5 和等式 6 中有很多的變量，因此在選擇材料時(shí)，最好只關(guān)注其中一個(gè)變量。

降低總功耗最明顯的技術(shù)是選擇低 IQ 的放大器，當(dāng)然也有一些缺點(diǎn)。例如，IQ較低的設(shè)備通常帶寬較小，噪聲較多，并且更難以穩(wěn)定。

由于不同類型運(yùn)算放大器的 IQ 可能相差十倍，因此必須要找到合適的運(yùn)算放大器。下面比較了 TLV9042、OPA2333、OPA391 和 TLV8802。

對(duì)于需要純數(shù)值分析的最大功率效率應(yīng)用來(lái)說(shuō)，選擇TLV8802是最好的。

各類低功耗運(yùn)放的比較

三、降低負(fù)載網(wǎng)絡(luò)的電阻值

除了等式 5 和等式 6 ，還需要考慮其他項(xiàng)，Vamp 項(xiàng)相互抵消。因此通常由應(yīng)用程序確定。Ptotal 、avg和 Voff 不受影響。換句話說(shuō)，系統(tǒng)無(wú)法通過(guò)使用 Voff 來(lái)切斷電源使用。

同樣，V+軌電壓通常是由電路的電源電壓決定。此外，RLoad 由程序確定。

RLoad 指的是任何負(fù)載輸出，而不僅僅是負(fù)載電阻 RL。RLoad 將包含下圖所示電路中的 R L 以及反饋組件 R1 和 R2。

感器放大器電路

因此，RLoad 如下面等式 7 和 8 所示：

通過(guò)增大反饋電阻值來(lái)降低系統(tǒng)中放大器的輸出功率。當(dāng) P 輸出數(shù)量超過(guò) P 靜態(tài)時(shí)，此方法非常有用，但它也有缺點(diǎn)。

如果反饋電阻大大超出RL，那么RL將控制RLoad，導(dǎo)致功率達(dá)到穩(wěn)定水平。反饋電阻與放大器的輸入電容相互作用，導(dǎo)致電路變得不穩(wěn)定和噪聲。

建議將每個(gè)運(yùn)算放大器輸入端相應(yīng)電阻的熱噪聲（如下圖）與放大器的電壓噪聲譜密度進(jìn)行比較，以減少這些組件產(chǎn)生的噪聲。

作為一般規(guī)則，放大器的輸入電壓噪聲密度要求應(yīng)該是從每個(gè)輸入測(cè)量的等效電阻的電壓噪聲的三倍。

電阻熱噪聲

四、實(shí)際案例

1、電路設(shè)計(jì)

上面我們說(shuō)到，要求電池供電的傳感器具有 30 增益的信號(hào)放大器，以 1kHz 提供 0 至 100mV 的模擬信號(hào) 。

這 2 種設(shè)計(jì)如下圖所示。左側(cè)的設(shè)計(jì)使用了標(biāo)準(zhǔn)3.3V電源，省電電阻和TLV9002通用運(yùn)算放大器。右側(cè)設(shè)計(jì)采用TLV9042運(yùn)放，電阻值較大，功耗較低。

當(dāng) TLV9042 反相輸入端的等效電阻約為9.667時(shí)，噪聲頻譜密度小于放大器寬帶噪聲的三分之一，從而確保運(yùn)算放大器的噪聲主要是來(lái)自電阻引起的噪聲。

典型設(shè)計(jì)和微妙設(shè)計(jì)

根據(jù)上圖的數(shù)值，設(shè)計(jì)參數(shù)以及兩個(gè)運(yùn)算放大器的規(guī)格，可以使用公式 6 分別獲得LV9002 和 TLV9042 設(shè)計(jì)的 Ptotal ,avg 。

根據(jù)前面的計(jì)算，由于放大器的 I Q較大，TLV9002 設(shè)計(jì)的功耗是TLV9042 設(shè)計(jì)的四倍多。除此之外，還可以知道使用低反饋電阻值，高 IQ運(yùn)算放大器也不會(huì)顯著節(jié)省功耗。

在上面的例子中，我們可以使用兩種策略：提高電阻值并選擇靜態(tài)電流較低的運(yùn)算放大器。在大多數(shù)運(yùn)算放大器應(yīng)用中，這兩種技術(shù)都是可行的。

2、使用低壓軌來(lái)節(jié)省電力

回看公式 1 和 6，計(jì)算具有正弦信號(hào)和直流偏置電壓的單電源運(yùn)算放大器電路的平均功耗：

如公式 6 所示，V+ 是代表線路的電源軌 (V+)，功耗與 V + 成正比，因此將 V+ 降低至電路中可達(dá)到的最低電源電壓是另一種降低功耗的技術(shù)。

為了將內(nèi)部晶體管保持在預(yù)期功能范圍內(nèi)所需的最小電壓，因此許多運(yùn)算放大器的最小電源電壓范圍是2.7V 或 3.3V。

有些運(yùn)算放大器能夠在低至 1.8V 甚至更低的電壓下工作。TLV9042 通用運(yùn)算放大器。例如，可以通過(guò) 1.2V 電源軌運(yùn)行。

3、電池供電應(yīng)用

很多傳感器和智能設(shè)備都由電池供電，當(dāng)電池耗盡時(shí)，其端子電壓會(huì)低于其標(biāo)稱電壓額定值，例如，1.5V堿性AA電池的標(biāo)稱電壓為1.5V。

初始空載測(cè)量時(shí)的實(shí)際端電壓可能接近1.6V，當(dāng)電池耗盡時(shí)，該端子的電壓將降至1.2V甚至更低。

使用可在1.2V下工作的運(yùn)算放大器具有以下優(yōu)點(diǎn)：

即使電池接近充電周期結(jié)束，運(yùn)放電路扔將繼續(xù)工作更長(zhǎng)時(shí)間。
運(yùn)算放大器電路可以僅使用一節(jié)1.5V電池，而不時(shí)使用兩節(jié)1.5V電池來(lái)生成3V電壓軌

參考下圖的電池放電圖，可以知道為什么較低電壓的運(yùn)算放大器可以延長(zhǎng)電池的使用壽命。電池的放電周期通常與此圖類似，電池的端電壓將開始接近其標(biāo)稱額定值。隨著電池放電，端電壓將穩(wěn)定下降。當(dāng)電池接近充電周期結(jié)束時(shí)，其端電壓將迅速下降。

如果運(yùn)算放大器電路僅在接近電池標(biāo)稱電壓（如V1）的電壓工作，則運(yùn)算放大器電路的工作周期t1會(huì)很短。

使用可以在稍低電壓（例如V2）下工作的運(yùn)算放大器可以大大延長(zhǎng)電池的工作壽命t2。