使用低功耗運算放大器進(jìn)行設(shè)計，第 1 部分：運算放大器電路的節(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)計人員日益關(guān)注的重點?？紤]到這一點，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算放大器 (op amps)設(shè)計系統(tǒng)的細(xì)節(jié)。

在第一部分中，我將討論運算放大器電路的節(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。

了解運算放大器電路的功耗

讓我們首先考慮一個可能需要考慮功率的示例電路：一個電池供電的傳感器在 1 kHz 時產(chǎn)生一個幅度為 50 mV 和偏移為 50 mV 的模擬正弦信號。信號需要放大到 0 V 至 3 V 的范圍以進(jìn)行信號調(diào)理（圖 1），同時盡可能節(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

圖 2：傳感器放大電路

運算放大器電路中的功耗由多種因素組成：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)表中列出的運算放大器的 I Q組成。輸出功率 P Output是運算放大器輸出級為驅(qū)動負(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計算總功率、平均功率、P total,avg。電源電壓由V +表示。V off是輸出信號的直流偏移，V amp是輸出信號的幅度。最后，R Load是運算放大器的總負(fù)載電阻。請注意，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 有多個項，最好一次考慮一項。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。

由于運算放大器的 I Q可以按數(shù)量級變化，因此值得花時間選擇合適的放大器。TI 為電路設(shè)計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)之間實現(xiàn)了良好的平衡。對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。V amp項相互抵消，對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?，術(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，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)，最好將在每個運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 模擬信號的電池供電傳感器需要 30 V/V 的信號放大。圖 4 比較了兩種設(shè)計。左側(cè)的設(shè)計使用典型的 3.3V 電源、未考慮節(jié)能的電阻器以及 TLV9002 通用運算放大器。右側(cè)的設(shè)計使用更大的電阻值和更低功率的 TLV9042 運算放大器。請注意，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)計與注重功耗的設(shè)計

使用圖 4 中的值、設(shè)計規(guī)范和適用的放大器規(guī)范，可以求解公式 6 ，得出 TLV9002 設(shè)計和 TLV9042 設(shè)計的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)計和 TLV9042 設(shè)計的P total,avg的數(shù)值。等式 12 和 13 顯示了結(jié)果。

從最后兩個等式可以看出，TLV9002 設(shè)計的功耗是 TLV9042 設(shè)計的四倍多。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)計低功耗放大器電路的基礎(chǔ)知識，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，我將介紹何時可以使用具有低壓電源功能的低功率放大器。