低功率運(yùn)算放大器（運(yùn)放）電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)解析

近年來(lái)，電池供電電子設(shè)備的普及使功耗成為模擬電路設(shè)計(jì)人員的首要任務(wù)?？紤]到這一點(diǎn)，本文是本系列的第一篇，它將介紹使用低功率運(yùn)算放大器（運(yùn)放）設(shè)計(jì)系統(tǒng)的來(lái)龍去脈。

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

讓我們開始考慮一個(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，它產(chǎn)生一個(gè)模擬正弦信號(hào)，振幅為50 mV，在1 kHz時(shí)的失調(diào)電壓為50 mV。信號(hào)需要調(diào)高至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，這將需要具有30 V / V增益的同相放大器配置，如圖2所示。如何優(yōu)化該電路的功耗？

圖表比較電池供電的傳感器在0 v至3 v范圍內(nèi)的輸入和輸出電壓以進(jìn)行信號(hào)調(diào)理

圖1：輸入和輸出信號(hào)

同相放大器配置電路圖

圖2：傳感器放大電路

運(yùn)算放大器電路的功耗包括多種因素：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，它由運(yùn)算放大器的I Q組成，該產(chǎn)品在產(chǎn)品數(shù)據(jù)表中列出。輸出功率 P Output是運(yùn)放輸出級(jí)中用于驅(qū)動(dòng)負(fù)載的功率。最后，負(fù)載功率P Load是負(fù)載本身消耗的功率。我的同事Thomas Kuehl在他的技術(shù)文章“關(guān)于運(yùn)算放大器功耗的主要問(wèn)題-第1部分”和TI Precision Labs視頻“運(yùn)算放大器：功率和溫度”中定義各種公式來(lái)計(jì)算運(yùn)算放大器電路的功耗。

在這個(gè)例子中，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，我們將使用以下方程式找到總平均功率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。注意，平均總功率與I Q直接相關(guān)，而與R Load反相關(guān)。

選擇具有正確I Q的設(shè)備

公式5和6有幾個(gè)術(shù)語(yǔ)，最好一次考慮一個(gè)。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，在此過(guò)程中需要權(quán)衡取舍。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可能變化一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此值得花時(shí)間選擇合適的放大器。如表1所示，TI為電路設(shè)計(jì)人員提供了廣泛的選擇范圍。例如，TLV9042，OPA2333，OPA391和其他微功耗器件在節(jié)電與其他性能參數(shù)之間取得了良好的平衡。對(duì)于要求最大功率效率的應(yīng)用，TLV8802和其他納功率器件將非常適合。你可以搜索你的具體參數(shù)，比如那些我的≤10μA器件Q，使用我們的參數(shù)搜索。運(yùn)算放大器的數(shù)量可能會(huì)相差一個(gè)數(shù)量級(jí)，值得花些時(shí)間選擇合適的放大器。如表1所示，TI為電路設(shè)計(jì)人員提供了廣泛的選擇范圍。例如，TLV9042，OPA2333，OPA391和其他微功率器件在節(jié)省功率和其他性能參數(shù)之間取得了良好的平衡。對(duì)于要求最大功率效率的應(yīng)用，TLV8802

表1：著名的低功耗設(shè)備

降低負(fù)載網(wǎng)絡(luò)的阻力

現(xiàn)在考慮方程式5和6中的其余項(xiàng)。V amp項(xiàng)對(duì)P total，avg和V off的抵消不受影響，通常由應(yīng)用程序預(yù)先確定。換句話說(shuō)，您通常不能使用V off來(lái)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。看起來(lái)，術(shù)語(yǔ)R Load也由應(yīng)用程序預(yù)先確定。然而，該術(shù)語(yǔ)包括任何組件，其載荷的輸出，而不僅僅是負(fù)載電阻，R大號(hào)。在圖1所示的電路中，R負(fù)載將包括R L以及反饋分量R 1和R 2。因此， R負(fù)載將由公式7和8定義。

通過(guò)增加反饋電阻的阻值，可以降低放大器的輸出功率。當(dāng)P輸出支配P Quiescent但有其局限性時(shí)，此技術(shù)特別有效。如果反饋電阻變得遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于R L，則R L將主導(dǎo)R Load，從而功耗將不再減小。大型反饋電阻器還可能與放大器的輸入電容相互作用，從而使電路不穩(wěn)定并產(chǎn)生大量噪聲。

為了使這些元件的噪聲影響最小，最好將運(yùn)算放大器的每個(gè)輸入端（參見(jiàn)圖3）上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指標(biāo)至少比從每個(gè)放大器的輸入端觀察到的等效電阻的電壓噪聲大三倍。

各種溫度下電阻器熱噪聲的圖表

圖3：電阻熱噪聲

真實(shí)示例

使用這些低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)，讓我們回到最初的問(wèn)題：由電池供電的傳感器在1 kHz時(shí)產(chǎn)生0至100 mV的模擬信號(hào)需要30 V / V的信號(hào)放大率。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，不考慮省電尺寸的電阻器和TLV9002通用運(yùn)算放大器。右邊的設(shè)計(jì)使用較大的電阻值和較低功率的TLV9042運(yùn)算放大器。請(qǐng)注意，TLV9042處的等效電阻的噪聲頻譜密度約為9.667kΩ使用這些低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)，讓我們回到最初的問(wèn)題：由電池供電的傳感器在1 kHz時(shí)產(chǎn)生0至100 mV的模擬信號(hào)需要30 V / V的信號(hào)放大率。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，不考慮省電尺寸的電阻器和TLV9002通用運(yùn)算放大器。右邊的設(shè)計(jì)使用較大的電阻值和較低功率的TLV9042運(yùn)算放大器。請(qǐng)注意，TLV9042的反相輸入端的等效電阻的噪聲頻譜密度約為9.667kΩ，比放大器的寬帶噪聲小三倍以上，以確保運(yùn)算放大器的噪聲能控制由放大器產(chǎn)生的任何噪聲。電阻器。

原理圖電路顯示了典型運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)與低功耗運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)之間的比較

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)格和適用的放大器規(guī)格，可以對(duì)公式6進(jìn)行求解，以得出TLV9002設(shè)計(jì)和TLV9042設(shè)計(jì)的P total，avg。為了便于閱讀，此處將公式6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。公式12和13顯示了結(jié)果。用于TLV9002設(shè)計(jì)和TLV9042用于TLV9002設(shè)計(jì)和TLV9042

從最后兩個(gè)方程式可以看出，TLV9002設(shè)計(jì)消耗的功率是TLV9042的四倍以上從后兩個(gè)方程式可以看出，TLV9002設(shè)計(jì)消耗的功率是TLV9042設(shè)計(jì)的四倍以上。這是放大器I更高的結(jié)果Q，在方程10和11的左側(cè)術(shù)語(yǔ)表明，隨著較小的反饋電阻，如在等式10和11的右側(cè)中的術(shù)語(yǔ)的情況下更我占Q和更小的不需要反饋電阻，實(shí)施此處描述的技術(shù)可以節(jié)省大量功率。

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的器件和增加分立電阻器的值。在本系列的下一部分中，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。

編輯：hfy