設(shè)計單電源、低功耗系統(tǒng)的考慮因素：使用交流線路電源的設(shè)計

本文考慮將使用有源器件（例如運算放大器、A/D和D/A轉(zhuǎn)換器等）的系統(tǒng)設(shè)計轉(zhuǎn)換為單電源供電的影響和性能權(quán)衡。（為使用雙極性電源實現(xiàn)最佳性能而設(shè)計的傳統(tǒng)有源器件在單電源操作中固有的性能不佳，尤其是在較低電壓下。我們繼續(xù)觀察了幾個新產(chǎn)品系列在速度和動態(tài)性能方面的優(yōu)勢，這些產(chǎn)品系列建立在專為單電源操作設(shè)計和表征的工藝之上。

人們不禁注意到，單電源設(shè)計在設(shè)計界變得非常流行，因為它們降低了成本，并利用了計算機系統(tǒng)和數(shù)字/混合信號設(shè)備中常用的廣泛可用的電源。許多經(jīng)典的高性能電路都是使用具有±15 V電源的運算放大器開發(fā)的，但現(xiàn)在在（例如）高速視頻電路中需要在較低電壓下進(jìn)行單電源操作。為了最大限度地降低處理視頻信號時的功耗（通常僅為 1-2 伏峰峰值），使用 5V 單電源。但是，傳統(tǒng)的高速運算放大器最初設(shè)計為在 ±15 V 電源下正常工作，現(xiàn)在必須在相當(dāng)?shù)偷碾妷合鹿ぷ?，并在中間電源偏置。然而，降低電源電壓會降低靜態(tài)電流，正如我們將看到的，這會對帶寬和壓擺率產(chǎn)生不利影響，并可能引入“裕量”問題。單電源供電不僅可取而且必不可少的另一個例子是便攜式電池供電設(shè)備。當(dāng)電池是主電源電壓時，最小靜態(tài)電流對于擴展工作至關(guān)重要。電池供電系統(tǒng)將在本文的第二部分中詳細(xì)討論，該部分將出現(xiàn)在下一期的《模擬對話》中。

電池供電應(yīng)用的一個主要例子是“筆記本電腦”或“筆記本電腦”PC，其中低功耗、單電源設(shè)備是有利且必不可少的。十年前，誰能想到您可以隨身攜帶一個計算能力和內(nèi)存能力高達(dá)舊臺式 PC 10×的系統(tǒng)（尺寸和重量的 1/10！–并具有VGA彩色圖形顯示器，傳真/調(diào)制解調(diào)器和CD-ROM等增強功能，但能夠在不充電的情況下耗盡電池2-3小時！

設(shè)計（或轉(zhuǎn)換為）單電源系統(tǒng)的另一個動機可能只是為了降低現(xiàn)有多電源設(shè)計的成本、復(fù)雜性和功耗。具有模擬和數(shù)字電路的傳統(tǒng)多電源設(shè)計通常需要±12 V或±15 V電源為運算放大器供電，+5 V或+12 V電源驅(qū)動TTL或CMOS邏輯電路，并且可能需要同時為A/D或D/A轉(zhuǎn)換器供電。使用現(xiàn)有的板載單電源電壓（通常為+5 V）為所有組件供電，可以消除對昂貴的DC-DC轉(zhuǎn)換器的需求，這可能會消耗大量的印刷電路板空間。例如，提供高達(dá)5 mA輸出電流的+15 V至±200 V直流-直流轉(zhuǎn)換器可能需要電路板上2英寸×2英寸的空間;具有 400mA 輸出的類似轉(zhuǎn)換器可能需要多達(dá) 2“ × 3.5” 的空間！

提高系統(tǒng)的可靠性是單電源操作的另一個不太明顯的優(yōu)勢。在遠(yuǎn)低于其最大額定值的電壓水平下工作的組件固有的使用壽命更長。在可靠性計算中，平均故障時間 （MTTF） 計算中包括應(yīng)力因子（設(shè)備工作電壓與其最大額定值之比）：最大額定值為 ±18 伏且工作電壓為 ±15 伏的放大器的應(yīng)力系數(shù)為 5/6，即 0.833;在+5 V下工作時，應(yīng)力系數(shù)降至5/36（= 0.139）。

在談到了單電源操作可能有益或必不可少的一些領(lǐng)域之后，讓我們更詳細(xì)地研究一些潛在的設(shè)計限制以及設(shè)計或轉(zhuǎn)換為單電源操作時可能的權(quán)衡。然后，我們將考慮產(chǎn)品、工藝和實踐，以克服在單電源設(shè)計中使用傳統(tǒng)器件時固有的速度和動態(tài)限制。雖然在許多示例中使用運算放大器作為我們的模型，但設(shè)計問題和性能權(quán)衡通常也適用于其他器件。

性能權(quán)衡

動態(tài)范圍：動態(tài)范圍可能是在單電源設(shè)計中使用傳統(tǒng)運算放大器時最重要的權(quán)衡。動態(tài)范圍減小會降低信噪比，最終限制可用的系統(tǒng)分辨率。例如，采用±15 V電源供電的傳統(tǒng)雙極性運算放大器（圖1）通常需要在其最大輸入/輸出擺幅和電源軌之間具有1.5 V至3 V的固定“裕量”。該裕量由輸入級的NPN架構(gòu)和V決定中國經(jīng)社衛(wèi)星的輸出晶體管級，對于給定的輸出負(fù)載條件，并且隨電源電壓變化很小。運算放大器采用 ±15 V 電源供電，輸入/輸出范圍為 ±13 V。

圖1.與電源電壓相關(guān)的裕量圖示。

如果電源電壓現(xiàn)在降至+5 V單電源（圖1右），則滿量程范圍嚴(yán)格限制在2 × （2.5 V – 2 V） = 1.0 V p-p，因為裕量基本固定。如果可以假設(shè)放大器的本底噪聲保持不變，則信號擺幅的減小會以相同的比例減小有效動態(tài)范圍。

輸入失調(diào)電壓：降低電源電壓的另一個影響是放大器輸入失調(diào)電壓的偏移。問題源于這樣一個事實，即大多數(shù)典型工作范圍低至±4.5 V的傳統(tǒng)運算放大器通常在特定的電源電壓（例如±15 V）下進(jìn)行測試，并對其輸入失調(diào)進(jìn)行調(diào)整。降低電源電壓會導(dǎo)致輸入失調(diào)電壓發(fā)生偏移。失調(diào)電壓的偏移可以通過查看失調(diào)電壓規(guī)格的“電源抑制比”（PSRR）或“電源靈敏度”來確定;它提供了給定電源電壓變化的失調(diào)變化的度量。

例如，OP177在±20 V時的初始失調(diào)為15微伏，PSRR為1 μV/V。如果電源降至±5 V，失調(diào)變化如下：

初始輸入失調(diào)電壓 @ + -15 V + -20 μV 電源抑制誤差 + -20μV（1 μV/V× 20V 變化） ________
降額輸入失調(diào)電壓 + -40μV

地面參考：選擇合適的接地基準(zhǔn)也變得至關(guān)重要，因為對于單個電源軌，根據(jù)應(yīng)用要求，“接地”可能位于電源范圍內(nèi)的任何地方。對于單側(cè)直流測量，負(fù)電源軌（-VS） 是一個很好的選擇，主要有兩個原因：

電源軌之間實現(xiàn)最大動態(tài)范圍（在放大器的裕量要求范圍內(nèi)）

負(fù)電源軌為正電源電流提供低阻抗返回路徑

然而，對于雙極性直流測量或交流應(yīng)用，選擇并不那么簡單。需要“偽”接地來處理“雙極性”電壓或交流波形在“零”值附近的交替偏移。這種偽接地（但不一定是最好的）的一個明顯選擇是位于正電源軌和負(fù)電源軌之間的中點?？梢酝ㄟ^多種方式創(chuàng)建此基礎(chǔ)。創(chuàng)建偽地的一種簡單方法是使用電阻分壓器，如圖2所示。

圖2.簡單的電阻接地參考。

這種方法存在幾個問題：由于電阻不匹配而導(dǎo)致的接地點不準(zhǔn)確、電阻漂移以及無法加載電路（圖 3）。正電源軌的變化也會移動接地點。而且，也許最能說明問題的是，它只能用作輸入接地基準(zhǔn)，而不能用作輸出接地回路。

圖3.電阻接地基準(zhǔn)的等效電路。

第二種解決方案涉及使用齊納二極管或基準(zhǔn)電壓穩(wěn)壓器（圖 4）。這消除了對電源軌的接地依賴;但是，齊納或穩(wěn)壓器電壓的選擇可能會受到限制。其較低的阻抗使其可用作負(fù)載范圍有限的輸出接地。

圖4.齊納二極管作為偽地。

也許最靈活的方法是等效于穩(wěn)壓器——將電阻分壓器或電阻齊納對（可能使用單通道或堆疊式1.23 V AD589）與具有適當(dāng)輸出電流范圍的低成本通用運算放大器（用作低阻抗接地發(fā)生器）組合在一起。

圖5顯示了偽接地技術(shù)在設(shè)計50 Hz/60 Hz單電源陷波濾波器中的應(yīng)用。

圖5.單電源 50/60Hz 陷波濾波器。

軌到軌

一類具有極低裕量要求的特殊放大器，稱為軌到軌放大器，因其獨特的工作能力，可以在輸入和/或輸出范圍的極端情況下工作在地或接近地和/或接近正電源軌（在幾毫伏以內(nèi)）的情況下工作。這顯著地將系統(tǒng)的動態(tài)范圍增加到幾乎整個電源電壓范圍。

傳統(tǒng)的運算放大器輸入設(shè)計（圖 6）采用 NPN 雙極結(jié)型晶體管 （BJT），具有高帶寬 （ft）、更低的噪聲和低漂移，但更高的電流消耗或結(jié)型場效應(yīng)晶體管（JFET），具有非常高的輸入阻抗、非常低的泄漏（偏置）電流和低失真的優(yōu)點。

圖6.傳統(tǒng)的輸入級使用成對的BJT或JFET晶體管。

遺憾的是，這兩種設(shè)計都需要使用雙+和-電源電壓工作，并且在任一電源軌上都需要2-3伏的裕量，以便在其線性區(qū)域內(nèi)有效工作。

軌到軌放大器采用特殊的輸入結(jié)構(gòu)，使用背靠背 NPN 和 PNP 輸入晶體管以及雙折疊級聯(lián)電路，允許輸入達(dá)到任一供電軌的毫伏以內(nèi)。

圖7.軌到軌輸入級使用背靠背的互補晶體管對耦合到雙折疊級聯(lián)增益級（未顯示）。

傳統(tǒng)運算放大器的輸出級（圖8）使用以AB類操作排列的NPN-PNP發(fā)射極-跟隨器對。輸出擺幅受 V 限制是每個晶體管，加上串聯(lián)電阻兩端的IR壓降。軌到軌放大器輸出來自配置的NPN-PNP對的集電極，如圖8所示;輸出擺幅僅受 V 限制中國經(jīng)社衛(wèi)星的晶體管（可以低至幾毫伏，取決于集電極發(fā)射極電流），由R上，并按負(fù)載電流。

圖8.常規(guī)和軌到軌輸出級。

軌到軌放大器性能如何的一個指標(biāo)是它能夠在零伏或接近零伏特時保持線性。在圖9a電路中，OP90的共模輸入在2.5 V范圍內(nèi)線性驅(qū)動，從零開始，放大器配置為將產(chǎn)生的輸入誤差乘以1000。（b）中的曲線顯示了2.5 V范圍內(nèi)的小而基本線性的偏差，沒有任何鉤子，凸起或不連續(xù)性，即使在零附近也是如此。

圖9.測試低軌附近的線性度。

表1比較了ADI公司用于軌到軌應(yīng)用的放大器規(guī)格。

帶寬、壓擺率： 除了降低電源電壓外，運算放大器制造商還可以通過將器件設(shè)計為需要較少的靜態(tài)電源電流來進(jìn)一步降低功耗要求。電源電流不受電源電壓的強烈影響;它主要由內(nèi)部偏置電流控制，內(nèi)部偏置電流由設(shè)計人員在偏置電路中選擇的電阻確定。然而，一般來說，帶寬、壓擺率和噪聲規(guī)格會受到靜態(tài)電流降低的不利影響。例如，在給定電路中，電阻增加4×以降低靜態(tài)電流，可以使約翰遜噪聲加倍，而約翰遜噪聲與電阻的平方根成正比。

表 1.單電源放大器指南

單電源放大器指南，第 2 部分

對于直流到中低頻應(yīng)用，例如便攜式醫(yī)療、地質(zhì)或氣象設(shè)備，功耗是關(guān)鍵因素，帶寬降低不太重要。然而，為了降低功耗而在較低電源電壓下工作的視頻速度放大器，由于靜態(tài)電流降低，帶寬和壓擺率會降低。

這對高速、低功耗放大器的設(shè)計有什么限制？雖然帶寬確實與靜態(tài)電流或工作電流成正比，但帶寬與靜態(tài)電流的實際比MHz/mA（以及其他特性）是運算放大器系列設(shè)計的特定制造工藝的函數(shù)。

圖10顯示了參考斜率，描述了ADI公司BiFET、互補雙極性（CB）和eXtra快速互補雙極性（XFCB）工藝的帶寬與靜態(tài)電流之間的典型關(guān)系，并具有代表性的產(chǎn)品類型。請注意，AD8011能夠提供300 MHz帶寬，同時采用+1 V單電源時最大靜態(tài)電流為0.5 mA（在2 kHz時僅產(chǎn)生10 nV/√Hz噪聲）。

圖 10.采用各種處理技術(shù)的IC運算放大器的帶寬與靜態(tài)電源電流的關(guān)系

電源噪聲：電源線上的噪聲可能是一個嚴(yán)重的問題，尤其是在測量低電平信號時。為了減少多電源系統(tǒng)中對DC-DC轉(zhuǎn)換器或逆變器的需求，設(shè)計人員利用板載+5 V邏輯電源為運算放大器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器供電，使問題更加復(fù)雜。難點在于，除了必須通過變化的邏輯和時鐘狀態(tài)隨機確定輸出電流外，大多數(shù)邏輯電源都來自高效但噪聲大的開關(guān)電源。雖然精心設(shè)計的邏輯電路不太容易受到典型開關(guān)“尖峰”的影響，但運算放大器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器可能會受到嚴(yán)重影響，因為尖峰可能同時出現(xiàn)在電源軌和接地回路上。

需要注意的是，運算放大器的PSRR（針對直流和低頻）會隨頻率而降低。來自電源的尖峰不僅會出現(xiàn)在放大器的輸出中，而且如果它們足夠大，它們可能會在放大器輸入級進(jìn)行整流并導(dǎo)致直流偏移。同樣，對于A/D和D/A轉(zhuǎn)換器，開關(guān)尖峰會在其模擬部分引入誤差，甚至可能導(dǎo)致時鐘誤差。在所有情況下，防御措施都包括仔細(xì)注意電路板布局（層數(shù)、電路位置和軌道布線限制）、濾波、旁路、屏蔽和接地。

只需對高效LC噪聲濾波器進(jìn)行少量投資，即可在敏感電路的電源輸入端使用鐵氧體磁珠，如圖11a所示。圖11b說明了使用這種濾波器如何幾乎消除電源輸出端出現(xiàn)脈沖引起的“毛刺”和“尖峰”。

圖 11.濾波器以衰減電源尖峰。它應(yīng)該位于屏蔽電路區(qū)域的入口外。

我們在上面討論了使用單個電源設(shè)計電路或系統(tǒng)時的優(yōu)勢和可能的性能權(quán)衡，以及有助于克服一些設(shè)計限制的產(chǎn)品和技術(shù)。在下一期《模擬對話》中，我們將仔細(xì)研究在電池1000供電系統(tǒng)中進(jìn)行設(shè)計的一些細(xì)微差別。

圖 12.尖峰，“之前”和“之后”過濾。請注意 20× 更敏感的刻度。

審核編輯：郭婷