使用低功耗運(yùn)算放大器進(jìn)行設(shè)計(jì)，第 2 部分：適用于低電源電壓應(yīng)用的低功耗運(yùn)算放大器

時(shí)間：2022-03-18 10:45:01

關(guān)鍵字：低電源電壓能力低功耗運(yùn)算放大器

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[導(dǎo)讀]在本系列的第 1 部分中，我介紹了與具有正弦輸出和直流偏移的單電源運(yùn)算放大器 (op-amp) 電路中的功耗相關(guān)的問(wèn)題。我還討論了降低這些電路功耗的兩種技術(shù)：增加電阻器尺寸和選擇具有較低靜態(tài)電流的運(yùn)算放大器。這兩種策略都適用于大多數(shù)運(yùn)算放大器應(yīng)用。在本期中，我將向展示如何使用具有低電源電壓能力的低功耗運(yùn)算放大器。

在本系列的第 1 部分中，我介紹了與具有正弦輸出和直流偏移的單電源運(yùn)算放大器 (op-amp) 電路中的功耗相關(guān)的問(wèn)題。我還討論了降低這些電路功耗的兩種技術(shù)：增加電阻器尺寸和選擇具有較低靜態(tài)電流的運(yùn)算放大器。這兩種策略都適用于大多數(shù)運(yùn)算放大器應(yīng)用。

在本期中，我將向展示如何使用具有低電源電壓能力的低功耗運(yùn)算放大器。

使用低壓軌節(jié)省電力

回想一下，第 1 部分包括使用公式 1 和 2 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：

我沒(méi)有在第 1 部分中提到電源軌 (V + )，因?yàn)樗巴ǔＳ呻娐分锌捎玫碾娫措妷涸O(shè)置”。雖然這是真的，但在某些應(yīng)用中，我們可以使用極低的電源電壓。在這種情況下，選擇能夠在這些電源軌內(nèi)運(yùn)行的低功耗運(yùn)算放大器可以顯著節(jié)省功耗。我們可以在等式 2 中看到這一點(diǎn)，其中P total,avg與 V +成正比。

許多運(yùn)算放大器的最小電源電壓范圍為 2.7 V 或 3.3 V。這種限制的原因與將內(nèi)部晶體管保持在其所需工作范圍內(nèi)所需的最小電壓有關(guān)。一些運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)工作電壓可低至 1.8 V 甚至更低。例如，TLV9042 通用運(yùn)算放大器可以在 1.2V 電壓軌下運(yùn)行。

電池供電應(yīng)用

當(dāng)今的許多傳感器和智能設(shè)備都由電池供電，其終端電壓會(huì)隨著放電而從標(biāo)稱電壓等級(jí)下降。例如，一節(jié)堿性 AA 電池的標(biāo)稱電壓為 1.5V。首次空載測(cè)量時(shí)，實(shí)際端電壓可能更接近 1.6 V。隨著電池放電，該端電壓將降至 1.2 V 甚至更高。使用能夠低至 1.2 V 的運(yùn)算放大器而不是更高電壓的運(yùn)算放大器進(jìn)行設(shè)計(jì)具有以下優(yōu)勢(shì)：

· 運(yùn)算放大器電路將繼續(xù)工作更長(zhǎng)時(shí)間，即使電池接近其充電周期結(jié)束并且其端電壓下降。

· 運(yùn)算放大器電路可以使用一節(jié) 1.5-V 電池工作，而不需要兩節(jié)電池來(lái)形成一個(gè) 3-V 電壓軌。

要了解為什么低壓運(yùn)算放大器可以延長(zhǎng)電池的使用壽命，請(qǐng)考慮圖 1 中所示的電池放電曲線。電池通常具有類似于該曲線的放電周期。電池的端電壓將在其標(biāo)稱額定值附近開(kāi)始。隨著電池隨時(shí)間放電，端電壓會(huì)逐漸降低。一旦電池接近充電結(jié)束，電池的端電壓就會(huì)迅速下降。如果運(yùn)算放大器電路僅設(shè)計(jì)為在接近電池標(biāo)稱電壓的電壓下工作，例如 V 1，則電路的工作時(shí)間 t 1將很短。然而，使用能夠在稍低電壓下工作的運(yùn)算放大器，例如 V 2，可以顯著延長(zhǎng)電池的工作壽命，t2 .

圖 1：?jiǎn)喂?jié)電池的典型放電曲線

這種影響會(huì)因電池類型、電池負(fù)載和其他因素而異。不過(guò)，很明顯，使用單節(jié) 1.5V AA 電池的 1.2V 運(yùn)算放大器（例如 TLV9042）比 1.5V 運(yùn)算放大器的使用壽命更長(zhǎng)。

低壓數(shù)字邏輯電平

為數(shù)字和模擬電路使用低壓軌的應(yīng)用也可以利用具有低電源電壓功能的低功耗運(yùn)算放大器。數(shù)字邏輯具有從 5 V 到 1.8 V 及以下的標(biāo)準(zhǔn)電壓電平（圖 2）。與運(yùn)算放大器電路一樣，數(shù)字邏輯在較低電壓下變得更加節(jié)能。因此，較低的數(shù)字邏輯電平通常更可取。

為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程，我們可以選擇為我們的模擬和數(shù)字電路使用相同的電源電壓電平。在這種情況下，具有 1.8V 功能的運(yùn)算放大器（例如高精度、寬帶寬 OPA391 或成本優(yōu)化的 TLV9001）可以證明是有益的。為了使設(shè)計(jì)適應(yīng)未來(lái)的 1.2V 數(shù)字電源軌，TLV9042 可能更合適。如果我們選擇采用這種方法，請(qǐng)確保清除任何可能從數(shù)字電路泄漏到模擬設(shè)備電源引腳的噪聲。

圖 2：標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平