使用低功耗運(yùn)算放大器進(jìn)行設(shè)計，第 3 部分：使用關(guān)斷放大器節(jié)省功耗

在我之前的文章中，我介紹了優(yōu)化運(yùn)算放大器 (op amp) 電路以節(jié)省功耗，并討論了一些可以利用具有低壓電源功能的放大器的應(yīng)用。在“使用低功耗運(yùn)算放大器進(jìn)行設(shè)計”系列的這一部分中，我將展示如何使用更專業(yè)的器件來節(jié)省功耗：關(guān)斷放大器。

關(guān)機(jī)功能

有時，電路設(shè)計人員希望節(jié)省功率，但又不能使用具有低靜態(tài)電流 (I Q ) 的運(yùn)算放大器，因為低功率放大器通常會在帶寬、噪聲和穩(wěn)定性方面進(jìn)行權(quán)衡。這個問題的一個常見解決方案是選擇一個關(guān)斷放大器，我們可以通過切換其關(guān)斷或啟用引腳將其置于低功耗狀態(tài)，如圖 1 所示。禁用或關(guān)斷放大器會調(diào)整其偏置電路，從而顯著降低降低設(shè)備的 I Q繪制。關(guān)斷放大器結(jié)合了器件開啟時更高帶寬運(yùn)算放大器的性能和器件關(guān)閉時顯著的節(jié)能效果。

圖 1：TLV9002S 關(guān)機(jī)切換

關(guān)斷引腳的好處

關(guān)斷放大器的主要好處很簡單：我們可以將放大器置于低功耗狀態(tài)。但是，當(dāng)我們可以切換電源引腳時，為什么還需要關(guān)閉引腳呢？事實證明，關(guān)斷放大器還有其他不太明顯的優(yōu)勢，例如在關(guān)斷時提供輸入電壓保護(hù)和定義的輸出狀態(tài)。

大多數(shù)放大器從其輸入引腳到電源軌都有輸入靜電放電 (ESD) 二極管。這些二極管旨在防止短期 ESD 事件，但在施加高于 V+ 軌或低于 V- 軌的輸入電壓時，它們可能會損壞。如圖 2 所示，如果通過電源引腳關(guān)閉放大器并施加輸入信號，輸入 ESD 結(jié)構(gòu)可能會損壞。然而，當(dāng)使用關(guān)斷引腳關(guān)閉放大器時，其電源軌仍然存在，并允許輸入引腳繼續(xù)看到正常的輸入電壓電平。大多數(shù)關(guān)斷放大器都是如此。如有疑問，請查閱產(chǎn)品數(shù)據(jù)表或在TI E2E?TM?論壇上咨詢工程師。

圖 2：使用輸入信號打開運(yùn)算放大器的 ESD 二極管

使用關(guān)閉引腳關(guān)閉設(shè)備的另一個優(yōu)點是它可以將輸出置于已知狀態(tài)。當(dāng)運(yùn)算放大器進(jìn)入關(guān)斷模式時，數(shù)據(jù)手冊通常會將輸出描述為成為高阻抗節(jié)點。當(dāng)運(yùn)算放大器僅通過電源軌關(guān)閉時，輸出引腳的行為是不確定的。同樣，如果有疑問，我們可以在產(chǎn)品數(shù)據(jù)表中仔細(xì)檢查此功能。正如技術(shù)文章中強(qiáng)調(diào)的那樣，“那么運(yùn)算放大器關(guān)斷引腳到底應(yīng)該做什么？” 停機(jī)引腳的其他潛在好處包括數(shù)字邏輯兼容性、成本節(jié)省、空間節(jié)省和設(shè)計復(fù)雜性的降低。

關(guān)機(jī)省電

對于關(guān)斷應(yīng)用，我們可以使用放大器的 I Q、其關(guān)斷 I Q (I QSD )、其電源電壓 (V supply ) 以及其預(yù)期的關(guān)閉時間 (t on ) 和關(guān)閉時間 (t off ) 來估計可用的靜態(tài)功耗。如果電阻負(fù)載可以忽略不計，則靜態(tài)節(jié)能將與總節(jié)能相匹配。為了簡單起見，讓我們假設(shè)是這種情況。在此假設(shè)下，公式 1 計算了開關(guān)設(shè)備的平均功耗。類似地，公式 2 計算了與始終保持開啟的設(shè)備相比節(jié)省的平均功率：

                            (1)

                            (2)

現(xiàn)在讓我們使用方程式 1 和 2 的一些實際測量值來估計潛在的停機(jī)功率節(jié)省。對于此示例，請考慮采用單位增益緩沖器配置的 TLV9042S 器件。輸入連接到中間電源，輸出沒有負(fù)載，如圖 3 所示。我的同事Carolina 在三個常見的電源電壓電平下為單元供電并測量了相應(yīng)的 I Q，然后將設(shè)備放入關(guān)機(jī)并在每個電源級別再次測量 I Q 。表 1 顯示了測量結(jié)果。請注意，這些結(jié)果略好于數(shù)據(jù)表規(guī)范，因為 I QSD雙通道 TLV9042 的每通道比單通道 TLV9041 略低，單通道 TLV9041 的值在數(shù)據(jù)表中引用了更保守的值。

圖 3：TLV9042S I Q和 I QSD測量設(shè)置

表 1：TLV9042S 在關(guān)斷模式下測得的電流消耗

借助表 1 中的數(shù)據(jù)，我們現(xiàn)在可以估計使用 TLV9042S 器件的關(guān)斷功能可能為不同的低功耗應(yīng)用節(jié)省的功耗。根據(jù)低功耗應(yīng)用，例如光電二極管放大器或電池供電的煙霧探測器，不同的占空比將有助于在不犧牲系統(tǒng)功能的情況下最大限度地節(jié)省功耗。借助公式 1 和 2 以及表 1 中的數(shù)據(jù)，可以估算在使用 TLV9042S 的關(guān)斷功能而不是始終開啟時在不同電源電壓電平下的功耗。請參見表 2 中的結(jié)果，我們可以在其中看到切換關(guān)斷引腳可以顯著節(jié)省功耗。

表 2：TLV9042S 按占空比和電源電壓測量的功耗

結(jié)論

既然我已經(jīng)討論了使用具有關(guān)斷功能的低功耗運(yùn)算放大器的節(jié)能優(yōu)勢，那么在下一部分中，我將介紹低功耗運(yùn)算放大器應(yīng)用中最常見的挑戰(zhàn)之一：穩(wěn)定性。