首先,我們討論具有低靜態電流(IQ)的放大器以及增加回饋網路電阻值與功率消耗的關係。
讓我們首先考慮一個可能需要關注功率的範例電路:電池供電的感測器在 1kHz 時產生 50mV 幅度和 50mV 偏移的類比正弦訊號。訊號需要放大到 0V 至 3V 的範圍以進行訊號調節(圖1),同時要盡可能節省電池電量,這將需要增益為 30V/V 的同相放大器配置,如圖2所示。那麼,我們應該如何來最佳化該電路的功率消耗呢?
運算放大器電路的功率消耗由多種因素組成,分別是靜態功率、運算放大器輸出功率和負載功率。靜態功率(或簡稱 PQuiescent)是保持放大器開啟所需的功率,規格表中一般以 IQ(靜態電流)表示,例如下圖中Texas Instruments OPA391規格書中的顯示。
輸出功率(POutput)是運算放大器輸出級驅動負載時消耗的功率。最後,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,其正弦輸出訊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 是輸出訊號的直流偏移,Vamp 是輸出訊號的幅度,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 直接相關成正比,而與 RLoad 成反比。
選擇具有合適 IQ 的零組件
由於從以上公式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率消耗的最直接策略。當然,在這個過程中有一些權衡。例如,具有較低 IQ 的設備通常具有較低的頻寬、較大的雜訊並且可能更難以穩定。
由於不同類型的運算放大器的IQ可能存在倍數級的差異,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。單純從數字上的分析,對於需要最大功率效率的應用,TLV8802將是一個很好的選擇。
典型規格 | TLV9042 | OPA2333 | OPA391 | TLV8802 |
---|---|---|---|---|
電源電壓(VS) | 1.2V – 5.5V | 1.8V – 5.5V | 1.7V – 5.5V | 1.7V - 5.5V |
頻寬(GBW) | 350kHz | 350kHz | 1 MHz | 6kHz |
25℃時每通道的典型IQ | 10uA | 17uA | 22uA | 320nA |
25℃時每通道的最大IQ | 13uA | 25uA | 28uA | 650nA |
25℃時的典型失調電壓(Vos) | 600uV | 2uV | 10uV | 550uV |
1kHz時的輸入電壓雜訊密度(en) | 66nV/√Hz | 55nV/√Hz | 55nV/√Hz | 450nV/√Hz |
表1:各類低功率消耗運算放大器比較表
降低負載網路的電阻值
現在繼續考慮公式5和6中的其餘項。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,系統無法使用 Voff 來降低功率消耗。類似地,V+ 軌電壓通常由電路中可用的電源電壓設置。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元件,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 和回饋組件 R1 和 R2。因此,RLoad 將由等式7和8定義如下。
透過增加回饋電阻的值,系統中放大器的輸出功率亦相應降低。當 Poutput 支配 PQuiescent 時,此技術特別有效,但也有其局限性。如果回饋電阻變得明顯大於 RL,則 RL 將主導 RLoad,進而使功率消耗停止下降。大回饋電阻器還會與放大器的輸入電容相互作用,使電路不穩定並產生明顯的雜訊。
為了最大限度地減少這些元件的雜訊產生,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雜訊與放大器的電壓雜訊頻譜密度進行比較。經驗法則是確保放大器的輸入電壓雜訊密度規格,至少是從放大器的每個輸入端觀察到的等效電阻的電壓雜訊的三倍。
圖4:電阻器熱雜訊(圖片來源:Texas Instruments)
現實世界中的例子
使用這些低功率消耗設計技術,讓我們回到最初的問題:在 1kHz 下產生 0 到 100mV 類比訊號的電池供電感測器需要 30V/V 的訊號放大率。下圖5比較了兩種設計。左側的設計使用典型的 3.3V 電源、尺寸不考慮節能的電阻器和 TLV9002 通用運算放大器。右側的設計使用更大的電阻值和更低功率消耗的 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,雜訊頻譜密度是少於放大器的寬頻雜訊的三分之一,以確保運算放大器的雜訊在電阻器產生的任何雜訊中占主導地位。
使用圖5中的值、設計規範和兩款運算放大器的規格,可以利用公式6分別得出 TLV9002 設計和 TLV9042 設計的 Ptotal,avg。結果分別顯示於公式9和10。
從以上結果得出,TLV9002 設計的功率消耗是 TLV9042 設計的四倍多。這是較高放大器 IQ 的結果,亦顯示利用高 IQ 的運算放大器,就算嘗試使用低回饋電阻值的情況下,亦不會有顯著的功率消耗節省。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電流的運算放大器,這兩種策略在大多數運算放大器應用中都可用。
使用低電壓軌省電
再重溫公式1和6定義具有正弦訊號和直流偏移電壓的單電源運算放大器電路的平均功率消耗:
另外,從公式6中的V+是代表線路的電源軌(V+),它是直接與功率消耗成正比,所以將電源軌(V+)設置為電路中最低可用的電源電壓,這也是一個降低功率消耗的方法。許多運算放大器的最低電源電壓範圍為 2.7V 或 3.3V。之所以有此限制的原因,與將內部電晶體維持在所需工作範圍內所需的最低電壓有關。一些運算放大器設計用於低至 1.8V 甚至更低的電壓。例如,TLV9042 通用運算放大器可以在1.2V電壓軌下工作。