使用低功耗运算放大器进行设计，第 2 部分：适用于低电源电压应用的低功耗运算放大器

在本系列的第 1 部分中，我介绍了与具有正弦输出和直流偏移的单电源运算放大器 (op-amp) 电路中的功耗相关的问题。我还讨论了降低这些电路功耗的两种技术：增加电阻器尺寸和选择具有较低静态电流的运算放大器。这两种策略都适用于大多数运算放大器应用。

在本期中，我将向展示如何使用具有低电源电压能力的低功耗运算放大器。

使用低压轨节省电力

回想一下，第 1 部分包括使用公式 1 和 2 定义具有正弦信号和直流偏移电压的单电源运算放大器电路的平均功耗：

我没有在第 1 部分中提到电源轨 (V + )，因为它“通常由电路中可用的电源电压设置”。虽然这是真的，但在某些应用中，我们可以使用极低的电源电压。在这种情况下，选择能够在这些电源轨内运行的低功耗运算放大器可以显着节省功耗。我们可以在等式 2 中看到这一点，其中P total,avg与 V +成正比。

许多运算放大器的最小电源电压范围为 2.7 V 或 3.3 V。这种限制的原因与将内部晶体管保持在其所需工作范围内所需的最小电压有关。一些运算放大器的设计工作电压可低至 1.8 V 甚至更低。例如，TLV9042 通用运算放大器可以在 1.2V 电压轨下运行。

电池供电应用

当今的许多传感器和智能设备都由电池供电，其终端电压会随着放电而从标称电压等级下降。例如，一节碱性 AA 电池的标称电压为 1.5V。首次空载测量时，实际端电压可能更接近 1.6 V。随着电池放电，该端电压将降至 1.2 V 甚至更高。使用能够低至 1.2 V 的运算放大器而不是更高电压的运算放大器进行设计具有以下优势：

· 运算放大器电路将继续工作更长时间，即使电池接近其充电周期结束并且其端电压下降。

· 运算放大器电路可以使用一节 1.5-V 电池工作，而不需要两节电池来形成一个 3-V 电压轨。

要了解为什么低压运算放大器可以延长电池的使用寿命，请考虑图 1 中所示的电池放电曲线。电池通常具有类似于该曲线的放电周期。电池的端电压将在其标称额定值附近开始。随着电池随时间放电，端电压会逐渐降低。一旦电池接近充电结束，电池的端电压就会迅速下降。如果运算放大器电路仅设计为在接近电池标称电压的电压下工作，例如 V 1，则电路的工作时间 t 1将很短。然而，使用能够在稍低电压下工作的运算放大器，例如 V 2，可以显着延长电池的工作寿命，t2 .

图 1：单节电池的典型放电曲线

这种影响会因电池类型、电池负载和其他因素而异。不过，很明显，使用单节 1.5V AA 电池的 1.2V 运算放大器（例如 TLV9042）比 1.5V 运算放大器的使用寿命更长。

低压数字逻辑电平

为数字和模拟电路使用低压轨的应用也可以利用具有低电源电压功能的低功耗运算放大器。数字逻辑具有从 5 V 到 1.8 V 及以下的标准电压电平（图 2）。与运算放大器电路一样，数字逻辑在较低电压下变得更加节能。因此，较低的数字逻辑电平通常更可取。

为了简化设计过程，我们可以选择为我们的模拟和数字电路使用相同的电源电压电平。在这种情况下，具有 1.8V 功能的运算放大器（例如高精度、宽带宽 OPA391 或成本优化的 TLV9001）可以证明是有益的。为了使设计适应未来的 1.2V 数字电源轨，TLV9042 可能更合适。如果我们选择采用这种方法，请确保清除任何可能从数字电路泄漏到模拟设备电源引脚的噪声。

图 2：标准逻辑电平

结论

在本文中，我们介绍了具有低压电源功能的低功耗运算放大器可以带来额外好处的应用。在本系列的下一部分中，我将介绍如何使用带有关断电路的运算放大器来节省功耗。