運算放大器電路中的功耗計算淺析

一、了解運算放大器電路中的功耗

首先，研究具有低靜態電流（IQ）的放大器，以及改變反饋網絡的電阻會對功耗有什么影響。

參考以下電路，該電路使用電池供電的傳感器來生成1KHz時幅度為50mV且偏移為50mV的模擬正弦信號。

對于信號調節，信號必須增加到 0V-3V范圍（如下圖所示）。

示例電路中的輸入和輸出信號

為了盡可能節省電池量，需要增益為 30 的同相放大器架構 ，如下圖。那我們應該怎么降低電路的功耗呢？

傳感器放大器電路

靜態功率、運算放大器輸出功率和負載功率都會影響運算放大器電路的功耗。靜態功率是保持放大器開啟所需的功率，通常在 Datasheet 中寫為 IQ（靜態電流），如下所示：

運放的靜態電流

驅動負載時運算放大器輸出級使用的功率稱為輸出功率。最后，負載功率是指負載消耗的能量。

在這個例子中，有一個單電源運算放大器，其輸出信號具有直流電壓偏置，因此，我們將應用下面的等式來計算總體平均功率。

V+是電源電壓

Voff是輸出信號的直流偏移

Vamp 是輸出信號的幅度

RLoad 是運算放大器的總負載電阻

需要注意的是，總功率與 IQ 相關，與 RLoad 成反比。

各類數值計算

二、選擇具有正確 IQ 的組件

由于上圖中的等式 5 和等式 6 中有很多的變量，因此在選擇材料時，最好只關注其中一個變量。

降低總功耗最明顯的技術是選擇低 IQ 的放大器，當然也有一些缺點。例如，IQ較低的設備通常帶寬較小，噪聲較多，并且更難以穩定。

由于不同類型運算放大器的 IQ 可能相差十倍，因此必須要找到合適的運算放大器。下面比較了 TLV9042、OPA2333、OPA391 和 TLV8802。

對于需要純數值分析的最大功率效率應用來說，選擇TLV8802是最好的。

各類低功耗運放的比較

三、降低負載網絡的電阻值

除了等式 5 和等式 6 ，還需要考慮其他項，Vamp 項相互抵消。因此通常由應用程序確定。Ptotal 、avg和 Voff 不受影響。換句話說，系統無法通過使用 Voff 來切斷電源使用 。

同樣，V+軌電壓通常是由電路的電源電壓決定。此外，RLoad 由程序確定。RLoad 指的是任何負載輸出，而不僅僅是負載電阻 RL。RLoad 將包含下圖所示電路中的 R L 以及 反饋組件 R1 和 R2。

感器放大器電路

因此，RLoad 如下面等式 7 和 8 所示：

通過增大反饋電阻值來降低系統中放大器的輸出功率。當 P 輸出數量超過 P 靜態時，此方法非常有用，但它也有缺點。

如果反饋電阻大大超出RL，那么RL將控制RLoad，導致功率達到穩定水平。反饋電阻與放大器的輸入電容相互作用，導致電路變得不穩定和噪聲。

建議將每個運算放大器輸入端相應電阻的熱噪聲（如下圖）與放大器的電壓噪聲譜密度進行比較，以減少這些組件產生的噪聲。

作為一般規則，放大器的輸入電壓噪聲密度要求應該是從每個輸入測量的等效電阻的電壓噪聲的三倍。

電阻熱噪聲

四、實際案例

1、電路設計

上面我們說到，要求電池供電的傳感器具有 30 增益的信號放大器，以 1kHz 提供 0 至 100mV 的模擬信號 。

這 2 種設計如下圖所示。左側的設計使用了標準3.3V電源，省電電阻和TLV9002通用運算放大器。右側設計采用TLV9042運放，電阻值較大，功耗較低。

當 TLV9042 反相輸入端的等效電阻約為9.667時，噪聲頻譜密度小于放大器寬帶噪聲的三分之一，從而確保運算放大器的噪聲主要是來自電阻引起的噪聲。

典型設計和微妙設計

根據上圖的數值，設計參數以及兩個運算放大器的規格，可以使用公式 6 分別獲得LV9002 和 TLV9042 設計的 Ptotal ,avg 。

根據前面的計算，由于放大器的 I Q較大，TLV9002 設計的功耗是TLV9042 設計的四倍多。除此之外，還可以知道使用低反饋電阻值，高 IQ運算放大器也不會顯著節省功耗。

在上面的例子中，我們可以使用兩種策略：提高電阻值并選擇靜態電流較低的運算放大器。在大多數運算放大器應用中，這兩種技術都是可行的。

2、使用低壓軌來節省電力

回看公式 1 和 6，計算具有正弦信號和直流偏置電壓的單電源運算放大器電路的平均功耗：

如公式 6 所示，V+ 是代表線路的電源軌 (V+)，功耗與 V + 成正比，因此將 V+ 降低至電路中可達到的最低電源電壓是另一種降低功耗的技術。

為了將內部晶體管保持在預期功能范圍內所需的最小電壓，因此許多運算放大器的最小電源電壓范圍是2.7V 或 3.3V。

有些運算放大器能夠在低至 1.8V 甚至更低的電壓下工作。TLV9042 通用運算 放大器。例如，可以通過 1.2V 電源軌運行。

3、電池供電應用

很多傳感器和智能設備都由電池供電，當電池耗盡時，其端子電壓會低于其標稱電壓額定值，例如，1.5V堿性AA電池的標稱電壓為1.5V。

初始空載測量時的實際端電壓可能接近1.6V，當電池耗盡時，該端子的電壓將降至1.2V甚至更低 。

使用可在1.2V下工作的運算放大器具有以下優點：

即使電池接近充電周期結束，運放電路扔將繼續工作更長時間。

運算放大器電路可以僅使用一節1.5V電池，而不時使用兩節1.5V電池來生成3V電壓軌

參考下圖的電池放電圖，可以知道為什么較低電壓的運算放大器可以延長電池的使用壽命。電池的放電周期通常與此圖類似，電池的端電壓將開始接近其標稱額定值。隨著電池放電，端電壓將穩定下降。當電池接近充電周期結束時，其端電壓將迅速下降。

如果運算放大器電路僅在接近電池標稱電壓（如V1）的電壓工作，則運算放大器電路的工作周期t1會很短。

使用可以在稍低電壓（例如V2）下工作的運算放大器可以大大延長電池的工作壽命t2。

單節電池的典型放電曲線

雖然效果因電池類型、電池負載和其他變量而異，但很明顯，工作電源較低的運算放大器具有較長的工作時間。

4、低電壓數字邏輯電平

具有低電源電壓能力的低功耗運算放大器可以用于采用低電壓軌的數字和模擬電路的應用。數字邏輯的標準電壓范圍為 5V 至 1.8V 及以下（如下圖）。

在較低電壓下，數字邏輯（如運算放大器電路）變得更加節能，因此，可以選擇較低級別的數字邏輯。

你可以選擇對模擬和數字電路使用相同的電源電壓電平，以保證設計過程更容易。具有1.8V功能的運算放大器（例如高精度、寬帶寬OPA391 或成本優化的TLV9001在這種情況下可能很有用）。

但是要注意，設計必須使用1.2V數字軌，在布線的時候必須清除可能從電路逃逸到模擬設備電源引腳的噪聲。

標準邏輯電平

五、總結

這篇文章中，主要是通過查看運算放大器的規則來快速識別低功耗運算放大器，其中兩種方法是：

在帶寬允許的情況下選擇具有低靜態電流的運算放大器

在反饋電路中選擇運算放大器

確保低功耗運算放大器的其他需要考慮的因素是低壓軌和低壓數字電平的使用。

審核編輯：劉清