低功耗運算放大器的設(shè)計及如何計算？

我們的運算放大器系列以業(yè)界領(lǐng)先的速度與電源電流的關(guān)系進行了擴展。LTC6258 / LTC6259 / LTC6260 系列 (單通道、雙通道、四通道) 在一個 20μA 的超低電源電流條件下提供了 1.3MHz 的電流，具有 400μV 的最大失調(diào)電壓和軌至軌輸入和輸出。該運算放大器與1.8V至5.25V電源相結(jié)合，能夠以合理的成本支持要求低功耗和低電壓性能不折不扣的應用。

實用正弦波

使用5V低功耗運算放大器不會產(chǎn)生失真為–100dBc的正弦波。盡管如此，采用 LTC6258 的帶通濾波器可與一個易于使用的低功率振蕩器結(jié)合使用，以低成本、低電壓和極低耗散產(chǎn)生正弦波。

有源濾波器

圖1所示的帶通濾波器交流耦合到輸入端。因此，LTC6258 輸入不會給前一級帶來產(chǎn)生特定絕對共模電壓的負擔。具有 RA1 和 RA2 的簡單電阻分壓器為 LTC6258 帶通濾波器提供了偏置。將運算放大器輸入固定在固定電壓上有助于減少移動共模時可能產(chǎn)生的失真。該濾波器的中心頻率為10kHz。確切的電阻和電容值可以向上或向下調(diào)整，具體取決于最低電阻噪聲還是最低總電源電流最重要。該實現(xiàn)方案針對低耗散進行了優(yōu)化，通過降低該濾波器的中心頻率為10kHz。確切的電阻和電容值可以向上或向下調(diào)整，具體取決于最低電阻噪聲還是最低總電源電流最重要。該方案通過降低反饋環(huán)路中的電流，針對低耗散進行了優(yōu)化。電容C2和C3最初為4.7nF或更高，電阻值較低。最后，具有更高電阻的1nF針對更低的功耗進行了優(yōu)化。

除功耗外，反饋阻抗的次要但同樣重要的方面是運算放大器軌到軌輸出級的負載。較重的負載(例如1K至10K阻抗)會顯著降低開環(huán)增益，進而影響帶通濾波器的精度。數(shù)據(jù)表建議卷從 100kΩ 降低 5 倍至 10kΩ。較低的C2和C3可能是可行的，但隨后R6變得更大，在輸出端引入更多噪聲。

該帶通濾波器的目標Q值適中，約為3。中等 Q 值而不是高 Q 值允許使用 5% 電容。更高的Q值將需要更精確的電容，并且很可能在10kHz時開環(huán)增益高于反饋阻抗負載。當然，中等Q值比高Q值導致諧波衰減更小。添加振蕩器

低功耗正弦波發(fā)生器可以通過將方波驅(qū)動到帶通濾波器中來獲得。完整的原理圖如圖3所示。LTC®6906 微功率電阻器設(shè)置振蕩器可輕松配置為一個 10kHz 方波，并能夠驅(qū)動帶通濾波器輸入電阻器中相對良性的負載。LTC6906 在 10kHz 時的電源電流為 32.4μA。圖 4 示出了 LTC6906 輸出和帶通濾波器輸出。正弦波的HD2為–46.1dBc，HD3為–32.6dBc。輸出為 1.34VP-P至 1.44VP-P由于運算放大器在10kHz時的開環(huán)增益有限，精確電平略有變化。在 3V 電源軌上，總電流消耗低于 55μA。其他增強功能

圖 5 顯示了可選的增強功能。一個低功率基準利用了 LTC6906 和 LTC6258 采用非常低的電源運作的能力?；鶞蕪囊粋€電池輸入提供 2.5V 電壓。固定的 2.5V 電源可在輸入電壓變化的情況下穩(wěn)定輸出電壓擺幅。此外，即使具有較高電阻的濾波電容器值更低，也會進一步降低 LTC6258 負載，從而降低耗散并改善濾波器準確度。LTC6258 / LTC6259 / LTC6260 系列 (單通道、雙通道、四通道) 在一個 20μA 的低電源電流中提供了 1.3MHz 的增益帶寬，并具有 400μV 的最大失調(diào)電壓和軌至軌輸入和輸出。該運算放大器與1.8V至5.25V電源相結(jié)合，支持需要高性能、低功耗、低電壓和低成本的應用。

近年來，電池供電電子產(chǎn)品的普及使功耗成為模擬電路設(shè)計人員越來越重視的問題。本文中將介紹如何使用低功耗運算放大器進行系統(tǒng)設(shè)計，同時也會涉及具有低電源電壓能力的低功耗運算放大器及其應用，并討論如何正確理解運算放大器規(guī)格書中的規(guī)格參數(shù)，綜合考慮電路設(shè)計上的節(jié)能技術(shù)，實現(xiàn)更高效的器件選型。

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引言

近年來，電池供電電子產(chǎn)品的普及使功耗成為模擬電路設(shè)計人員越來越重視的問題。本文中將介紹如何使用低功耗運算放大器進行系統(tǒng)設(shè)計，同時也會涉及具有低電源電壓能力的低功耗運算放大器及其應用，并討論如何正確理解運算放大器規(guī)格書中的規(guī)格參數(shù)，綜合考慮電路設(shè)計上的節(jié)能技術(shù)，實現(xiàn)更高效的器件選型。

了解運算放大器電路中的功耗

首先，我們會討論具有低靜態(tài)電流 (IQ) 的放大器以及增加反饋網(wǎng)絡電阻值與功耗的關(guān)系。

讓我們首先考慮一個可能需要關(guān)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(diào)節(jié)(圖 1)，同時要盡可能節(jié)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(yōu)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:TexasInstruments)圖2：傳感器放大電路(圖片來源:TexasInstruments)

運算放大器電路的功耗由多種因素組成，分別是靜態(tài)功率、運算放大器輸出功率和負載功率。靜態(tài)功率 (或簡稱PQuiescent) 是保持放大器開啟所需的功率，數(shù)據(jù)表中一般以 IQ(靜態(tài)電流)表示，例如下圖中Texas Instruments OPA391規(guī)格書中的顯示。圖3：TIOPA391運放的靜態(tài)電流(圖片來源:TexasInstruments)

輸出功率 ( POutput )是運算放大器輸出級驅(qū)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(guān)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(quán)衡。例如，具有較低IQ的設(shè)備通常具有較低的帶寬、較大的噪聲并且可能更難以穩(wěn)定。

由于不同類型的運算放大器的 IQ 可能存在倍數(shù)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TI TLV9042、OPA2333、OPA391和TLV8802作比較。單純從數(shù)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(wǎng)絡的電阻值

現(xiàn)在繼續(xù)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(tǒng)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(shè)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(tǒng)中放大器的輸出功率亦相應降低。當Poutput支配PQuiescent時，此技術(shù)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(wěn)定并產(chǎn)生明顯的噪聲。

為了最大限度地減少這些組件的噪聲產(chǎn)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(jīng)驗法則是確保放大器的輸入電壓噪聲密度規(guī)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:TexasInstruments)

現(xiàn)實世界中的例子

使用這些低功耗設(shè)計技術(shù)，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(shè)計。左側(cè)的設(shè)計使用典型的3.3V電源、尺寸不考慮節(jié)能的電阻器和 TLV9002通用運算放大器。右側(cè)的設(shè)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(chǎn)生的任何噪聲中占主導地位。圖5：典型設(shè)計與細微的設(shè)計(圖片來源:TexasInstruments)

使用圖5中的值、設(shè)計規(guī)范和兩款運算放大器的規(guī)格，可以利用公式6分別得出TLV9002設(shè)計和TLV9042設(shè)計的Ptotal,avg。結(jié)果分別顯示于公式 9 和 10 。從以上結(jié)果得出，TLV9002設(shè)計的功耗是TLV9042設(shè)計的四倍多。這是較高放大器IQ的結(jié)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(jié)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(tài)電流的運算放大器。這兩種策略在大多數(shù)運算放大器應用中都可用。