了解運算放大器電路中的功耗設計

問：了解運算放大器電路中的功耗設計

為了了解運算放大器電路中的功耗問題，我們首先明白具有低靜態電流 (IQ)的放大器以及增加反饋網絡電阻值與功耗之間的關系。

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

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

圖 2：傳感器放大電路（圖片來源: Texas Instruments）

運算放大器電路的功耗由多種因素組成，分別是靜態功率、運算放大器輸出功率和負載功率。靜態功率 (或簡稱 PQuiescent) 是保持放大器開啟所需的功率，數據表中一般以 IQ（靜態電流）表示，例如下圖中Texas InstrumentsOPA391規格書中的顯示。

圖3：TI OPA391運放的靜態電流 (圖片來源: Texas Instruments)

輸出功率 ( POutput)是運算放大器輸出級驅動負載時消耗的功率。最后，負載功率 ( PLoad)是負載本身消耗的功率。

在本例中，我們有一個單電源運算放大器，其正弦輸出信號具有直流電壓偏移。因此，我們將使用以下等式來計算總平均功率 (Ptotal avg) 。電源電壓由V+表示， 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。需要留意的，平均總功率與 IQ直接相關成正比，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中有多個可變項，在選料時最好只考慮一項。選擇具有低 IQ的放大器是降低整體功耗的最直接策略。當然，在這個過程中有一些權衡。例如，具有較低 IQ的設備通常具有較低的帶寬、較大的噪聲并且可能更難以穩定。

由于不同類型的運算放大器的 IQ可能存在倍數級的差異，因此花時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。單純從數字上的分析，對于需要最大功率效率的應用，TLV8802 將是一個很好的選擇。

表1 : 各類低功耗運算放大器比較表

降低負載網絡的電阻值

現在繼續考慮公式 5 和 6 中的其余項。Vamp項相互抵消，對 Ptotal,avg和 Voff沒有影響，通常由應用中預先確定。換句話說，系統無法使用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置。另外，RLoad也是由應用預先確定的。但是，RLoad是包括任何負載輸出的組件，而不僅是負載電阻器 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，系統中放大器的輸出功率亦相應降低。當Poutput支配 PQuiescent時，此技術特別有效，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 RLoad，從而使功耗停止下降。大反饋電阻器還會與放大器的輸入電容相互作用，使電路不穩定并產生明顯的噪聲。

為了最大限度地減少這些組件的噪聲產生，最好將在每個運算放大器輸入端（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行比較。經驗法則是確保放大器的輸入電壓噪聲密度規格至少是從放大器的每個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）

現實世界中的例子

使用這些低功耗設計技術，讓我們回到最初的問題：在 1kHz 下生成 0 到 100mV 模擬信號的電池供電傳感器需要 30V/V 的信號放大率。下圖5比較了兩種設計。左側的設計使用典型的 3.3V 電源、尺寸不考慮節能的電阻器和TLV9002通用運算放大器。右側的設計使用更大的電阻值和更低功耗的TLV9042運算放大器。請注意，當 TLV9042 反相輸入端等效電阻約為 9.667kΩ 時，噪聲頻譜密度是少于放大器的寬帶噪聲的三分之一，以確保運算放大器的噪聲在電阻器產生的任何噪聲中占主導地位。

圖5：典型設計與細微的設計（圖片來源: Texas Instruments）

使用圖5中的值、設計規范和兩款運算放大器的規格，可以利用公式6分別得出 TLV9002 設計和TLV9042 設計的 Ptotal,avg。結果分別顯示于公式 9 和 10 。

從以上結果得出，TLV9002 設計的功耗是 TLV9042 設計的四倍多。這是較高放大器 IQ的結果，亦顯示利用高 IQ的運算放大器，就算嘗試使用低反饋電阻值的情況下，亦不會有顯著的功耗節省。以上例子我們有兩個技巧，就是增加電阻值和選擇具有較低靜態電流的運算放大器。這兩種策略在大多數運算放大器應用中都可用。

使用低電壓軌省電

再重溫公式 1 和 6 定義具有正弦信號和直流偏移電壓的單電源運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+)設置為電路中最低可用的電源電壓，這也是一個降低功耗的方法。許多運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，與將內部晶體管維持在所需工作范圍內所需的最低電壓有關。一些運算放大器設計用于低至 1.8V 甚至更低的電壓。例如，TLV9042 通用運算放大器可以在 1.2V 電壓軌下工作。

審核編輯：劉清