低功耗运算放大器的设计及如何计算？

我们的运算放大器系列以业界领先的速度与电源电流的关系进行了扩展。LTC6258 / LTC6259 / LTC6260 系列 (单通道、双通道、四通道) 在一个 20μA 的超低电源电流条件下提供了 1.3MHz 的电流，具有 400μV 的最大失调电压和轨至轨输入和输出。该运算放大器与1.8V至5.25V电源相结合，能够以合理的成本支持要求低功耗和低电压性能不折不扣的应用。

实用正弦波

使用5V低功耗运算放大器不会产生失真为–100dBc的正弦波。尽管如此，采用 LTC6258 的带通滤波器可与一个易于使用的低功率振荡器结合使用，以低成本、低电压和极低耗散产生正弦波。

有源滤波器

图1所示的带通滤波器交流耦合到输入端。因此，LTC6258 输入不会给前一级带来产生特定绝对共模电压的负担。具有 RA1 和 RA2 的简单电阻分压器为 LTC6258 带通滤波器提供了偏置。将运算放大器输入固定在固定电压上有助于减少移动共模时可能产生的失真。该滤波器的中心频率为10kHz。确切的电阻和电容值可以向上或向下调整，具体取决于最低电阻噪声还是最低总电源电流最重要。该实现方案针对低耗散进行了优化，通过降低该滤波器的中心频率为10kHz。确切的电阻和电容值可以向上或向下调整，具体取决于最低电阻噪声还是最低总电源电流最重要。该方案通过降低反馈环路中的电流，针对低耗散进行了优化。电容C2和C3最初为4.7nF或更高，电阻值较低。最后，具有更高电阻的1nF针对更低的功耗进行了优化。

除功耗外，反馈阻抗的次要但同样重要的方面是运算放大器轨到轨输出级的负载。较重的负载(例如1K至10K阻抗)会显著降低开环增益，进而影响带通滤波器的精度。数据表建议卷从 100kΩ 降低 5 倍至 10kΩ。较低的C2和C3可能是可行的，但随后R6变得更大，在输出端引入更多噪声。

该带通滤波器的目标Q值适中，约为3。中等 Q 值而不是高 Q 值允许使用 5% 电容。更高的Q值将需要更精确的电容，并且很可能在10kHz时开环增益高于反馈阻抗负载。当然，中等Q值比高Q值导致谐波衰减更小。添加振荡器

低功耗正弦波发生器可以通过将方波驱动到带通滤波器中来获得。完整的原理图如图3所示。LTC®6906 微功率电阻器设置振荡器可轻松配置为一个 10kHz 方波，并能够驱动带通滤波器输入电阻器中相对良性的负载。LTC6906 在 10kHz 时的电源电流为 32.4μA。图 4 示出了 LTC6906 输出和带通滤波器输出。正弦波的HD2为–46.1dBc，HD3为–32.6dBc。输出为 1.34VP-P至 1.44VP-P由于运算放大器在10kHz时的开环增益有限，精确电平略有变化。在 3V 电源轨上，总电流消耗低于 55μA。其他增强功能

图 5 显示了可选的增强功能。一个低功率基准利用了 LTC6906 和 LTC6258 采用非常低的电源运作的能力。基准从一个电池输入提供 2.5V 电压。固定的 2.5V 电源可在输入电压变化的情况下稳定输出电压摆幅。此外，即使具有较高电阻的滤波电容器值更低，也会进一步降低 LTC6258 负载，从而降低耗散并改善滤波器准确度。LTC6258 / LTC6259 / LTC6260 系列 (单通道、双通道、四通道) 在一个 20μA 的低电源电流中提供了 1.3MHz 的增益带宽，并具有 400μV 的最大失调电压和轨至轨输入和输出。该运算放大器与1.8V至5.25V电源相结合，支持需要高性能、低功耗、低电压和低成本的应用。

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越来越重视的问题。本文中将介绍如何使用低功耗运算放大器进行系统设计，同时也会涉及具有低电源电压能力的低功耗运算放大器及其应用，并讨论如何正确理解运算放大器规格书中的规格参数，综合考虑电路设计上的节能技术，实现更高效的器件选型。

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引言

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越来越重视的问题。本文中将介绍如何使用低功耗运算放大器进行系统设计，同时也会涉及具有低电源电压能力的低功耗运算放大器及其应用，并讨论如何正确理解运算放大器规格书中的规格参数，综合考虑电路设计上的节能技术，实现更高效的器件选型。

了解运算放大器电路中的功耗

首先，我们会讨论具有低静态电流 (IQ) 的放大器以及增加反馈网络电阻值与功耗的关系。

让我们首先考虑一个可能需要关注功率的示例电路：电池供电的传感器在 1kHz 时生成 50mV 幅度和50mV偏移的模拟正弦信号。信号需要放大到0V至3V 的范围以进行信号调节(图 1)，同时要尽可能节省电池电量，这将需要增益为 30V/V的同相放大器配置， 如图 2 所示。那么，我们应该如何来优化该电路的功耗呢?图1:示例电路中的输入及输出信号(图片来源:TexasInstruments)图2：传感器放大电路(图片来源:TexasInstruments)

运算放大器电路的功耗由多种因素组成，分别是静态功率、运算放大器输出功率和负载功率。静态功率 (或简称PQuiescent) 是保持放大器开启所需的功率，数据表中一般以 IQ(静态电流)表示，例如下图中Texas Instruments OPA391规格书中的显示。图3：TIOPA391运放的静态电流(图片来源:TexasInstruments)

输出功率 ( POutput )是运算放大器输出级驱动负载时消耗的功率。最后，负载功率 ( PLoad )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来计算总平均功率 (Ptotal avg) 。电源电压由V+表示， Voff是输出信号的直流偏移，Vamp是输出信号的幅度，RLoad是运算放大器的总负载电阻。需要留意的，平均总功率与IQ直接相关成正比，而与RLoad成反比。选择具有合适 IQ 的元器件

由于从以上公式5和6中有多个可变项，在选料时最好只考虑一项。选择具有低IQ的放大器是降低整体功耗的最直接策略。当然，在这个过程中有一些权衡。例如，具有较低IQ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。

由于不同类型的运算放大器的 IQ 可能存在倍数级的差异，因此花时间选择合适的放大器是值得的。以下引用TI TLV9042、OPA2333、OPA391和TLV8802作比较。单纯从数字上的分析，对于需要最大功率效率的应用，TLV8802 将是一个很好的选择。表1:各类低功耗运算放大器比较表

降低负载网络的电阻值

现在继续考虑公式 5 和 6 中的其余项。 Vamp项相互抵消，对Ptotal,avg和Voff没有影响，通常由应用中预先确定。换句话说，系统无法使用Voff来降低功耗。类似地，V+轨电压通常由电路中可用的电源电压设置。另外，RLoad也是由应用预先确定的。但是，RLoad是包括任何负载输出的组件，而不仅是负载电阻器RL。在图 1 所示电路的情况下，RLoad将包括RL和反馈组件R1和R2。因此，RLoad将由等式7和8定义如下。

通过增加反馈电阻的值，系统中放大器的输出功率亦相应降低。当Poutput支配PQuiescent时，此技术特别有效，但也有其局限性。如果反馈电阻变得明显大于RL，则RL将主导RLoad，从而使功耗停止下降。大反馈电阻器还会与放大器的输入电容相互作用，使电路不稳定并产生明显的噪声。

为了最大限度地减少这些组件的噪声产生，最好将在每个运算放大器输入端(见下图4)看到的等效电阻的热噪声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是从放大器的每个输入端观察到的等效电阻的电压噪声的三倍。图4：电阻器热噪声(图片来源:TexasInstruments)

现实世界中的例子

使用这些低功耗设计技术，让我们回到最初的问题：在1kHz下生成0到100mV模拟信号的电池供电传感器需要30V/V的信号放大率。下图5比较了两种设计。左侧的设计使用典型的3.3V电源、尺寸不考虑节能的电阻器和 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耗的TLV9042运算放大器。请注意，当TLV9042反相输入端等效电阻约为9.667kΩ時，噪声频谱密度是少于放大器的宽带噪声的三分之一，以确保运算放大器的噪声在电阻器产生的任何噪声中占主导地位。图5：典型设计与细微的设计(图片来源:TexasInstruments)

使用图5中的值、设计规范和两款运算放大器的规格，可以利用公式6分别得出TLV9002设计和TLV9042设计的Ptotal,avg。结果分别显示于公式 9 和 10 。从以上结果得出，TLV9002设计的功耗是TLV9042设计的四倍多。这是较高放大器IQ的结果，亦显示利用高IQ的运算放大器，就算尝试使用低反馈电阻值的情况下，亦不会有显著的功耗节省。以上例子我们有两个技巧，就是增加电阻值和选择具有较低静态电流的运算放大器。这两种策略在大多数运算放大器应用中都可用。