使用低功耗运算放大器进行设计，第 1 部分：运算放大器电路的节能技术

时间：2022-03-18 10:55:01

关键字：运算放大器功耗

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[导读]近年来，电池供电电子产品的普及使功耗成为模拟电路设计人员日益关注的重点。考虑到这一点，本文是系列文章中的第一篇，该系列文章将介绍使用低功耗运算放大器 (op amps)设计系统的细节。在第一部分中，我将讨论运算放大器电路的节能技术，包括选择具有低静态电流 (I Q ) 的放大器和增加反馈网络的负载电阻。

近年来，电池供电电子产品的普及使功耗成为模拟电路设计人员日益关注的重点。考虑到这一点，本文是系列文章中的第一篇，该系列文章将介绍使用低功耗运算放大器 (op amps)设计系统的细节。

在第一部分中，我将讨论运算放大器电路的节能技术，包括选择具有低静态电流 (I Q ) 的放大器和增加反馈网络的负载电阻。

了解运算放大器电路的功耗

让我们首先考虑一个可能需要考虑功率的示例电路：一个电池供电的传感器在 1 kHz 时产生一个幅度为 50 mV 和偏移为 50 mV 的模拟正弦信号。信号需要放大到 0 V 至 3 V 的范围以进行信号调理（图 1），同时尽可能节省电池电量，这将需要增益为 30 V/V 的同相放大器配置，如图 2 所示。如何优化该电路的功耗？

图 1：输入和输出信号

图 2：传感器放大电路

运算放大器电路中的功耗由多种因素组成：静态功率、运算放大器输出功率和负载功率。静态功率P Quiescent是保持放大器开启所需的功率，由产品数据表中列出的运算放大器的 I Q组成。输出功率 P Output是运算放大器输出级为驱动负载而消耗的功率。最后，负载功率P Load是负载本身消耗的功率。

在本例中，我们有一个单电源运算放大器，其正弦输出信号具有直流电压偏移。因此，我们将使用以下等式计算总功率、平均功率、P total,avg。电源电压由V +表示。V off是输出信号的直流偏移，V amp是输出信号的幅度。最后，R Load是运算放大器的总负载电阻。请注意，平均总功率与I Q直接相关，而与R Load成反比。

选择具有正确 I Q的设备

等式 5 和 6 有多个项，最好一次考虑一项。选择具有低 I Q的放大器是降低总功耗的最直接策略。当然，在这个过程中有一些取舍。例如，具有较低 I Q的设备通常具有较低的带宽、较大的噪声并且可能更难以稳定。本系列的后续部分将更详细地讨论这些主题。

由于运算放大器的 I Q可以按数量级变化，因此值得花时间选择合适的放大器。TI 为电路设计人员提供了广泛的选择范围，如表 1 所示。例如，TLV9042、OPA2333、OPA391 和其他微功率器件在节能和其他性能参数之间实现了良好的平衡。对于需要最大功率效率的应用，TLV8802 和其他毫微功率器件将非常适合。您可以使用我们的参数搜索来搜索具有特定参数的器件，例如 I Q ≤10 µA 的器件。

典型规格	TLV9042	OPA2333	OPA391	TLV8802
电源电压 (V S )	1.2V-5.5V	1.8V-5.5V	1.7V-5.5V	1.7V-5.5V
带宽 (GBW)	350kHz	350kHz	1兆赫	6kHz
25°C 时每通道的典型 I Q	10µA	17µA	22µA	320 毫安
25°C 时每个通道的最大 I Q	13µA	25µA	28µA	650 毫安
25°C 时的典型失调电压 (V os )	600µV	2µV	10µV	550µV
1 kHz 时的输入电压噪声密度 ( en )	66nV/√Hz	55nV/√Hz	55nV/√Hz	450nV/√Hz

表 1：著名的低功耗器件

降低负载网络的电阻

现在考虑等式 5 和 6 中的其余项。V amp项相互抵消，对P total、avg和V off没有影响，通常由应用预先确定。换言之，您通常无法使用V off来降低功耗。同样，V +轨电压通常由电路中可用的电源电压设置。看起来，术语R负载也是由应用程序预先确定的。但是，该术语包括负载输出的任何组件，而不仅仅是负载电阻 R L。在图 1 所示电路的情况下，R负载将包括 R L和反馈分量 R 1和 R 2。因此， R Load将由公式 7 和 8 定义。

通过增加反馈电阻的值，您可以降低放大器的输出功率。当P output支配P Quiescent时，这种技术特别有效，但也有其局限性。如果反馈电阻明显大于R L，则R L将主导R Load，从而使功耗将停止缩小。大反馈电阻器还可以与放大器的输入电容相互作用，使电路不稳定并产生显着噪声。

为了最大限度地减少这些组件的噪声贡献，最好将在每个运算放大器输入端看到的等效电阻的热噪声（参见图 3）与放大器的电压噪声频谱密度进行比较。经验法则是确保放大器的输入电压噪声密度规格至少比从放大器的每个输入端观察到的等效电阻的电压噪声大三倍。

图 3：电阻器热噪声

举例

使用这些低功耗设计技术，让我们回到最初的问题：在 1 kHz 下产生 0 到 100 mV 模拟信号的电池供电传感器需要 30 V/V 的信号放大。图 4 比较了两种设计。左侧的设计使用典型的 3.3V 电源、未考虑节能的电阻器以及 TLV9002 通用运算放大器。右侧的设计使用更大的电阻值和更低功率的 TLV9042 运算放大器。请注意，在 TLV9042 的反相输入端，等效电阻的噪声频谱密度约为 9.667 kΩ，比放大器的宽带噪声小三倍以上，以确保运算放大器的噪声在任何由放大器产生的噪声中占主导地位。电阻器。

图 4：典型设计与注重功耗的设计

使用图 4 中的值、设计规范和适用的放大器规范，可以求解公式 6 ，得出 TLV9002 设计和 TLV9042 设计的P total,avg。为方便阅读，公式 6 已复制为公式 9。公式 10 和 11分别显示了 TLV9002 设计和 TLV9042 设计的P total,avg的数值。等式 12 和 13 显示了结果。

从最后两个等式可以看出，TLV9002 设计的功耗是 TLV9042 设计的四倍多。这是放大器 I Q较高的结果，如公式 10 和 11 的左侧所示，以及较小的反馈电阻器，如公式 10 和 11 的右侧所示。不需要反馈电阻，实施此处描述的技术可以显着节省功耗。