使用低功耗運(yùn)算放大器進(jìn)行設(shè)計(jì)，第 1 部分：運(yùn)算放大器電路的節(jié)能技術(shù)

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(jì)人員日益關(guān)注的重點(diǎn)?？紤]到這一點(diǎn)，本文是系列文章中的第一篇，該系列文章將介紹使用低功耗運(yùn)算放大器 (op amps)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的細(xì)節(jié)。

在第一部分中，我將討論運(yùn)算放大器電路的節(jié)能技術(shù)，包括選擇具有低靜態(tài)電流 (I Q ) 的放大器和增加反饋網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載電阻。

了解運(yùn)算放大器電路的功耗

讓我們首先考慮一個(gè)可能需要考慮功率的示例電路：一個(gè)電池供電的傳感器在 1 kHz 時(shí)產(chǎn)生一個(gè)幅度為 50 mV 和偏移為 50 mV 的模擬正弦信號(hào)。信號(hào)需要放大到 0 V 至 3 V 的范圍以進(jìn)行信號(hào)調(diào)理（圖 1），同時(shí)盡可能節(jié)省電池電量，這將需要增益為 30 V/V 的同相放大器配置，如圖 2 所示。如何優(yōu)化該電路的功耗？

圖 1：輸入和輸出信號(hào)

圖 2：傳感器放大電路

運(yùn)算放大器電路中的功耗由多種因素組成：靜態(tài)功率、運(yùn)算放大器輸出功率和負(fù)載功率。靜態(tài)功率P Quiescent是保持放大器開啟所需的功率，由產(chǎn)品數(shù)據(jù)表中列出的運(yùn)算放大器的 I Q組成。輸出功率 P Output是運(yùn)算放大器輸出級(jí)為驅(qū)動(dòng)負(fù)載而消耗的功率。最后，負(fù)載功率P Load是負(fù)載本身消耗的功率。

在本例中，我們有一個(gè)單電源運(yùn)算放大器，其正弦輸出信號(hào)具有直流電壓偏移。因此，我們將使用以下等式計(jì)算總功率、平均功率、P total,avg。電源電壓由V +表示。V off是輸出信號(hào)的直流偏移，V amp是輸出信號(hào)的幅度。最后，R Load是運(yùn)算放大器的總負(fù)載電阻。請(qǐng)注意，平均總功率與I Q直接相關(guān)，而與R Load成反比。

選擇具有正確 I Q的設(shè)備

等式 5 和 6 有多個(gè)項(xiàng)，最好一次考慮一項(xiàng)。選擇具有低 I Q的放大器是降低總功耗的最直接策略。當(dāng)然，在這個(gè)過程中有一些取舍。例如，具有較低 I Q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。本系列的后續(xù)部分將更詳細(xì)地討論這些主題。

由于運(yùn)算放大器的 I Q可以按數(shù)量級(jí)變化，因此值得花時(shí)間選擇合適的放大器。TI 為電路設(shè)計(jì)人員提供了廣泛的選擇范圍，如表 1 所示。例如，TLV9042、OPA2333、OPA391 和其他微功率器件在節(jié)能和其他性能參數(shù)之間實(shí)現(xiàn)了良好的平衡。對(duì)于需要最大功率效率的應(yīng)用，TLV8802 和其他毫微功率器件將非常適合。您可以使用我們的參數(shù)搜索來搜索具有特定參數(shù)的器件，例如 I Q ≤10 μA 的器件。

表 1：著名的低功耗器件

降低負(fù)載網(wǎng)絡(luò)的電阻

現(xiàn)在考慮等式 5 和 6 中的其余項(xiàng)。V amp項(xiàng)相互抵消，對(duì)P total、avg和V off沒有影響，通常由應(yīng)用預(yù)先確定。換言之，您通常無法使用V off來降低功耗。同樣，V +軌電壓通常由電路中可用的電源電壓設(shè)置?？雌饋恚g(shù)語R負(fù)載也是由應(yīng)用程序預(yù)先確定的。但是，該術(shù)語包括負(fù)載輸出的任何組件，而不僅僅是負(fù)載電阻 R L。在圖 1 所示電路的情況下，R負(fù)載將包括 R L和反饋分量 R 1和 R 2。因此， R Load將由公式 7 和 8 定義。

通過增加反饋電阻的值，您可以降低放大器的輸出功率。當(dāng)P output支配P Quiescent時(shí)，這種技術(shù)特別有效，但也有其局限性。如果反饋電阻明顯大于R L，則R L將主導(dǎo)R Load，從而使功耗將停止縮小。大反饋電阻器還可以與放大器的輸入電容相互作用，使電路不穩(wěn)定并產(chǎn)生顯著噪聲。

為了最大限度地減少這些組件的噪聲貢獻(xiàn)，最好將在每個(gè)運(yùn)算放大器輸入端看到的等效電阻的熱噪聲（參見圖 3）與放大器的電壓噪聲頻譜密度進(jìn)行比較。經(jīng)驗(yàn)法則是確保放大器的輸入電壓噪聲密度規(guī)格至少比從放大器的每個(gè)輸入端觀察到的等效電阻的電壓噪聲大三倍。

圖 3：電阻器熱噪聲

舉例

使用這些低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)，讓我們回到最初的問題：在 1 kHz 下產(chǎn)生 0 到 100 mV 模擬信號(hào)的電池供電傳感器需要 30 V/V 的信號(hào)放大。圖 4 比較了兩種設(shè)計(jì)。左側(cè)的設(shè)計(jì)使用典型的 3.3V 電源、未考慮節(jié)能的電阻器以及 TLV9002 通用運(yùn)算放大器。右側(cè)的設(shè)計(jì)使用更大的電阻值和更低功率的 TLV9042 運(yùn)算放大器。請(qǐng)注意，在 TLV9042 的反相輸入端，等效電阻的噪聲頻譜密度約為 9.667 kΩ，比放大器的寬帶噪聲小三倍以上，以確保運(yùn)算放大器的噪聲在任何由放大器產(chǎn)生的噪聲中占主導(dǎo)地位。電阻器。

圖 4：典型設(shè)計(jì)與注重功耗的設(shè)計(jì)

使用圖 4 中的值、設(shè)計(jì)規(guī)范和適用的放大器規(guī)范，可以求解公式 6 ，得出 TLV9002 設(shè)計(jì)和 TLV9042 設(shè)計(jì)的P total,avg。為方便閱讀，公式 6 已復(fù)制為公式 9。公式 10 和 11分別顯示了 TLV9002 設(shè)計(jì)和 TLV9042 設(shè)計(jì)的P total,avg的數(shù)值。等式 12 和 13 顯示了結(jié)果。

從最后兩個(gè)等式可以看出，TLV9002 設(shè)計(jì)的功耗是 TLV9042 設(shè)計(jì)的四倍多。這是放大器 I Q較高的結(jié)果，如公式 10 和 11 的左側(cè)所示，以及較小的反饋電阻器，如公式 10 和 11 的右側(cè)所示。不需要反饋電阻，實(shí)施此處描述的技術(shù)可以顯著節(jié)省功耗。

結(jié)論

我已經(jīng)介紹了設(shè)計(jì)低功耗放大器電路的基礎(chǔ)知識(shí)，包括選擇具有低 I Q的設(shè)備和增加分立電阻器的值。在本系列的第 2 部分中，我將介紹何時(shí)可以使用具有低壓電源功能的低功率放大器。