使用低功耗運算放大器進行設(shè)計，第 2 部分：適用于低電源電壓應(yīng)用的低功耗運算放大器

在本系列的第 1 部分中，我介紹了與具有正弦輸出和直流偏移的單電源運算放大器 (op-amp) 電路中的功耗相關(guān)的問題。我還討論了降低這些電路功耗的兩種技術(shù)：增加電阻器尺寸和選擇具有較低靜態(tài)電流的運算放大器。這兩種策略都適用于大多數(shù)運算放大器應(yīng)用。

在本期中，我將向展示如何使用具有低電源電壓能力的低功耗運算放大器。

使用低壓軌節(jié)省電力

回想一下，第 1 部分包括使用公式 1 和 2 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：

我沒有在第 1 部分中提到電源軌 (V + )，因為它“通常由電路中可用的電源電壓設(shè)置”。雖然這是真的，但在某些應(yīng)用中，我們可以使用極低的電源電壓。在這種情況下，選擇能夠在這些電源軌內(nèi)運行的低功耗運算放大器可以顯著節(jié)省功耗。我們可以在等式 2 中看到這一點，其中P total,avg與 V +成正比。

許多運算放大器的最小電源電壓范圍為 2.7 V 或 3.3 V。這種限制的原因與將內(nèi)部晶體管保持在其所需工作范圍內(nèi)所需的最小電壓有關(guān)。一些運算放大器的設(shè)計工作電壓可低至 1.8 V 甚至更低。例如，TLV9042 通用運算放大器可以在 1.2V 電壓軌下運行。

電池供電應(yīng)用

當今的許多傳感器和智能設(shè)備都由電池供電，其終端電壓會隨著放電而從標稱電壓等級下降。例如，一節(jié)堿性 AA 電池的標稱電壓為 1.5V。首次空載測量時，實際端電壓可能更接近 1.6 V。隨著電池放電，該端電壓將降至 1.2 V 甚至更高。使用能夠低至 1.2 V 的運算放大器而不是更高電壓的運算放大器進行設(shè)計具有以下優(yōu)勢：

· 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結(jié)束并且其端電壓下降。

· 運算放大器電路可以使用一節(jié) 1.5-V 電池工作，而不需要兩節(jié)電池來形成一個 3-V 電壓軌。

要了解為什么低壓運算放大器可以延長電池的使用壽命，請考慮圖 1 中所示的電池放電曲線。電池通常具有類似于該曲線的放電周期。電池的端電壓將在其標稱額定值附近開始。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，電池的端電壓就會迅速下降。如果運算放大器電路僅設(shè)計為在接近電池標稱電壓的電壓下工作，例如 V 1，則電路的工作時間 t 1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 V 2，可以顯著延長電池的工作壽命，t2 .

圖 1：單節(jié)電池的典型放電曲線

這種影響會因電池類型、電池負載和其他因素而異。不過，很明顯，使用單節(jié) 1.5V AA 電池的 1.2V 運算放大器（例如 TLV9042）比 1.5V 運算放大器的使用壽命更長。

低壓數(shù)字邏輯電平

為數(shù)字和模擬電路使用低壓軌的應(yīng)用也可以利用具有低電源電壓功能的低功耗運算放大器。數(shù)字邏輯具有從 5 V 到 1.8 V 及以下的標準電壓電平（圖 2）。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，我們可以選擇為我們的模擬和數(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 功能的運算放大器（例如高精度、寬帶寬 OPA391 或成本優(yōu)化的 TLV9001）可以證明是有益的。為了使設(shè)計適應(yīng)未來的 1.2V 數(shù)字電源軌，TLV9042 可能更合適。如果我們選擇采用這種方法，請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 2：標準邏輯電平

結(jié)論

在本文中，我們介紹了具有低壓電源功能的低功耗運算放大器可以帶來額外好處的應(yīng)用。在本系列的下一部分中，我將介紹如何使用帶有關(guān)斷電路的運算放大器來節(jié)省功耗。