問：了解運(yùn)算放大器電路中的功耗設(shè)計(jì)

為了了解運(yùn)算放大器電路中的功耗問題，我們首先明白具有低靜態(tài)電流 (IQ)的放大器以及增加反饋網(wǎng)絡(luò)電阻值與功耗之間的關(guān)系。

讓我們首先考慮一個(gè)可能需要關(guān)注功率的示例電路：電池供電的傳感器在 1kHz時(shí)生成 50mV 幅度和 50mV 偏移的模擬正弦信號(hào)。信號(hào)需要放大到 0V 至 3V 的范圍以進(jìn)行信號(hào)調(diào)節(jié)（圖 1），同時(shí)要盡可能節(jié)省電池電量，這將需要增益為 30V/V 的同相放大器配置，如圖 2 所示。那么，我們應(yīng)該如何來優(yōu)化該電路的功耗呢？

圖 1 : 示例電路中的輸入及輸出信號(hào)（圖片來源: Texas Instruments）

圖 2：傳感器放大電路（圖片來源: Texas Instruments）

運(yùn)算放大器電路的功耗由多種因素組成，分別是靜態(tài)功率、運(yùn)算放大器輸出功率和負(fù)載功率。靜態(tài)功率 (或簡(jiǎn)稱 PQuiescent) 是保持放大器開啟所需的功率，數(shù)據(jù)表中一般以 IQ（靜態(tài)電流）表示，例如下圖中Texas InstrumentsOPA391規(guī)格書中的顯示。

圖3：TI OPA391運(yùn)放的靜態(tài)電流 (圖片來源: Texas Instruments)

輸出功率 ( POutput)是運(yùn)算放大器輸出級(jí)驅(qū)動(dòng)負(fù)載時(shí)消耗的功率。最后，負(fù)載功率 ( PLoad)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來計(jì)算總平均功率 (Ptotal avg) 。電源電壓由V+表示， 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。需要留意的，平均總功率與 IQ直接相關(guān)成正比，而與 RLoad成反比。

選擇具有合適 IQ的元器件

由于從以上公式5和6中有多個(gè)可變項(xiàng)，在選料時(shí)最好只考慮一項(xiàng)。選擇具有低 IQ的放大器是降低整體功耗的最直接策略。當(dāng)然，在這個(gè)過程中有一些權(quán)衡。例如，具有較低 IQ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。

由于不同類型的運(yùn)算放大器的 IQ可能存在倍數(shù)級(jí)的差異，因此花時(shí)間選擇合適的放大器是值得的。以下引用 TITLV9042、OPA2333、OPA391和TLV8802作比較。單純從數(shù)字上的分析，對(duì)于需要最大功率效率的應(yīng)用，TLV8802 將是一個(gè)很好的選擇。

表1 : 各類低功耗運(yùn)算放大器比較表

降低負(fù)載網(wǎng)絡(luò)的電阻值

現(xiàn)在繼續(xù)考慮公式 5 和 6 中的其余項(xiàng)。Vamp項(xiàng)相互抵消，對(duì) Ptotal,avg和 Voff沒有影響，通常由應(yīng)用中預(yù)先確定。換句話說，系統(tǒng)無法使用Voff來降低功耗。類似地，V+ 軌電壓通常由電路中可用的電源電壓設(shè)置。另外，RLoad也是由應(yīng)用預(yù)先確定的。但是，RLoad是包括任何負(fù)載輸出的組件，而不僅是負(fù)載電阻器 RL。在圖 1 所示電路的情況下，RLoad將包括 RL和反饋組件 R1 和 R2。因此，RLoad將由等式7和8定義如下。

通過增加反饋電阻的值，系統(tǒng)中放大器的輸出功率亦相應(yīng)降低。當(dāng)Poutput支配 PQuiescent時(shí)，此技術(shù)特別有效，但也有其局限性。如果反饋電阻變得明顯大于 RL，則 RL將主導(dǎo) RLoad，從而使功耗停止下降。大反饋電阻器還會(huì)與放大器的輸入電容相互作用，使電路不穩(wěn)定并產(chǎn)生明顯的噪聲。

為了最大限度地減少這些組件的噪聲產(chǎn)生，最好將在每個(gè)運(yùn)算放大器輸入端（見下圖4）看到的等效電阻的熱噪聲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)格至少是從放大器的每個(gè)輸入端觀察到的等效電阻的電壓噪聲的三倍。

圖4：電阻器熱噪聲（圖片來源: Texas Instruments）

現(xiàn)實(shí)世界中的例子

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 1kHz 下生成 0 到 100mV 模擬信號(hào)的電池供電傳感器需要 30V/V 的信號(hào)放大率。下圖5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、尺寸不考慮節(jié)能的電阻器和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耗的TLV9042運(yùn)算放大器。請(qǐng)注意，當(dāng) TLV9042 反相輸入端等效電阻約為 9.667kΩ 時(shí)，噪聲頻譜密度是少于放大器的寬帶噪聲的三分之一，以確保運(yùn)算放大器的噪聲在電阻器產(chǎn)生的任何噪聲中占主導(dǎo)地位。

圖5：典型設(shè)計(jì)與細(xì)微的設(shè)計(jì)（圖片來源: Texas Instruments）

使用圖5中的值、設(shè)計(jì)規(guī)范和兩款運(yùn)算放大器的規(guī)格，可以利用公式6分別得出 TLV9002 設(shè)計(jì)和TLV9042 設(shè)計(jì)的 Ptotal,avg。結(jié)果分別顯示于公式 9 和 10 。

從以上結(jié)果得出，TLV9002 設(shè)計(jì)的功耗是 TLV9042 設(shè)計(jì)的四倍多。這是較高放大器 IQ的結(jié)果，亦顯示利用高 IQ的運(yùn)算放大器，就算嘗試使用低反饋電阻值的情況下，亦不會(huì)有顯著的功耗節(jié)省。以上例子我們有兩個(gè)技巧，就是增加電阻值和選擇具有較低靜態(tài)電流的運(yùn)算放大器。這兩種策略在大多數(shù)運(yùn)算放大器應(yīng)用中都可用。

使用低電壓軌省電

再重溫公式 1 和 6 定義具有正弦信號(hào)和直流偏移電壓的單電源運(yùn)算放大器電路的平均功耗：

另外，從公式6中的V+是代表線路的電源軌 (V+)，它是直接與功耗成正比，所以將電源軌 (V+)設(shè)置為電路中最低可用的電源電壓，這也是一個(gè)降低功耗的方法。許多運(yùn)算放大器的最低電源電壓范圍為 2.7V 或 3.3V。之所以有此限制的原因，與將內(nèi)部晶體管維持在所需工作范圍內(nèi)所需的最低電壓有關(guān)。一些運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)用于低至 1.8V 甚至更低的電壓。例如，TLV9042 通用運(yùn)算放大器可以在 1.2V 電壓軌下工作。

審核編輯：劉清