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(guó)ADI公司

自我年青時(shí)代使用7個(gè)晶體管的對(duì)講機(jī)和AM收音機(jī)以來(lái)，我們已走過(guò)了很長(zhǎng)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(jī)可以用做照相機(jī)和計(jì)算器；MP3播放器就是收音機(jī)、移動(dòng)存儲(chǔ)器設(shè)備和相冊(cè)；PDA同時(shí)也是日歷、相機(jī)、手機(jī)和手持游戲機(jī)；還有好些新功能，不勝枚舉。我們已處在這樣一個(gè)時(shí)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(lái)越多的功能，也對(duì)這些設(shè)備的電源增加了更多的負(fù)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(gè)車用電池來(lái)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(shí)間短，并可使用數(shù)小時(shí)，待機(jī)時(shí)間也多達(dá)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(zhǎng)工作時(shí)間。電源管理及電池技術(shù)的進(jìn)步已對(duì)電池壽命的延長(zhǎng)有所幫助，但這只是我們要說(shuō)明的一個(gè)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(shí)具有更強(qiáng)大的功能。當(dāng)今的IC要求低電壓運(yùn)行、提供更大帶寬、更快轉(zhuǎn)換時(shí)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(lái)實(shí)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(gè)人媒體播放器和手機(jī)。在與大的團(tuán)體分享圖片時(shí)，手持設(shè)備的體積和分辨率的局限性也顯露出來(lái)，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(huì)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(shí)視頻驅(qū)動(dòng)器通常處理關(guān)閉狀態(tài)。因此設(shè)計(jì)附加視頻電路時(shí)，工作電流和低功耗電流這兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)均成為有待解決的問(wèn)題。

要更為深入地考察當(dāng)今工程師在待機(jī)、工作和靜態(tài)電流上面臨的挑戰(zhàn)，有兩個(gè)設(shè)計(jì)例子要在此作介紹。在第一個(gè)例子中，MP3播放器視頻輸出部分的設(shè)計(jì)要求已進(jìn)行了計(jì)論；在該例子中，設(shè)計(jì)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(jī)電流的同時(shí)，解決超低功耗緩沖器應(yīng)用的問(wèn)題。

具有視頻輸出功能的MP3播放器

該設(shè)計(jì)中，要在MP3播放器增加一個(gè)復(fù)合視頻輸出級(jí)。該電路必須提供一個(gè)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(jī)電流小于15μA，能夠驅(qū)動(dòng)150Ω負(fù)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(jì)例子中暫忽略不計(jì)。

圖1顯示了一個(gè)具有離散有源濾波輸出級(jí)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(guò)程中產(chǎn)生的多重圖像。這種濾波器利用一個(gè)運(yùn)算放大器和多個(gè)分立元件來(lái)構(gòu)成一個(gè)具有增益的2極點(diǎn)的Sallen-Key低通濾波器，用于驅(qū)動(dòng)75Ω的視頻負(fù)載。

圖1：具有離散重建濾波器的視頻DAC

根據(jù)以上設(shè)計(jì)規(guī)范，視頻運(yùn)算放大器如ADI公司的ADA4853-1就是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。當(dāng)ADA4853放大器符合電氣規(guī)范時(shí)，還需要額外的元件以符合該例子的整體設(shè)計(jì)要求。對(duì)分立元件濾波器的一個(gè)替代方案是完全集成濾波器。采用集成方案會(huì)占用較少空間、更為穩(wěn)定并縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，在大多數(shù)情況下，不失為一個(gè)富有成效的解決方案。當(dāng)采用集成方案時(shí)，可達(dá)到的簡(jiǎn)化效果見(jiàn)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(duì)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(gè)考慮因素)予以權(quán)衡。視頻運(yùn)算放大器對(duì)于該應(yīng)用也是一個(gè)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(biāo)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(duì)便攜式娛樂(lè)設(shè)備中的25MHz時(shí)鐘緩沖器電路。該方案中的主要設(shè)計(jì)難題在于待機(jī)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(jī)電流(分配到電路該部分的整個(gè)待機(jī)電流僅10μA)、小占位面積、3V工作電壓、小于3mA電源電流、整個(gè)電路面積為1cm2和帶寬為100MHz。

傳統(tǒng)意義上，采用一個(gè)外置FET導(dǎo)通三極管即可滿足小于0.1μA的待機(jī)電流要求，如圖3所示。但是，這會(huì)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(chǔ)如ADG842這樣的模擬開(kāi)關(guān)會(huì)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，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(gè)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(yùn)算放大器。這種器件使設(shè)計(jì)工程師無(wú)須考慮外置FET和周圍電路，簡(jiǎn)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(jì)規(guī)范時(shí)，設(shè)計(jì)工程師要不斷地面臨折衷且必須對(duì)所有系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行權(quán)衡。在便攜式電子的設(shè)計(jì)競(jìng)賽中，工程師要具備針對(duì)待機(jī)電流的要求對(duì)工作電流進(jìn)行折衷的能力，反之亦然；與此同時(shí)，要不斷考慮價(jià)格、電路板面積和簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的要求來(lái)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(duì)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(kāi)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(lái)的設(shè)計(jì)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(yùn)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(jià)值。

作者簡(jiǎn)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(guó)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。