低功率运算放大器（运放）电路设计系统的节能技术解析

近年来，电池供电电子设备的普及使功耗成为模拟电路设计人员的首要任务。考虑到这一点，本文是本系列的第一篇，它将介绍使用低功率运算放大器（运放）设计系统的来龙去脉。

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

让我们开始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，它产生一个模拟正弦信号，振幅为50 mV，在1 kHz时的失调电压为50 mV。信号需要调高至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，这将需要具有30 V / V增益的同相放大器配置，如图2所示。如何优化该电路的功耗？

图表比较电池供电的传感器在0 v至3 v范围内的输入和输出电压以进行信号调理

图1：输入和输出信号

 

同相放大器配置电路图

图2：传感器放大电路

运算放大器电路的功耗包括多种因素：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，它由运算放大器的I Q组成，该产品在产品数据表中列出。输出功率 P Output是运放输出级中用于驱动负载的功率。最后，负载功率P Load是负载本身消耗的功率。我的同事Thomas Kuehl在他的技术文章“关于运算放大器功耗的主要问题-第1部分”和TI Precision Labs视频“运算放大器：功率和温度”中定义各种公式来计算运算放大器电路的功耗。

在这个例子中，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，我们将使用以下方程式找到总平均功率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。注意，平均总功率与I Q直接相关，而与R Load反相关。

选择具有正确I Q的设备

公式5和6有几个术语，最好一次考虑一个。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，在此过程中需要权衡取舍。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可能变化一个数量级，因此值得花时间选择合适的放大器。如表1所示，TI为电路设计人员提供了广泛的选择范围。例如，TLV9042，OPA2333，OPA391和其他微功耗器件在节电与其他性能参数之间取得了良好的平衡。对于要求最大功率效率的应用，TLV8802和其他纳功率器件将非常适合。你可以搜索你的具体参数，比如那些我的≤10μA器件Q，使用我们的参数搜索。运算放大器的数量可能会相差一个数量级，值得花些时间选择合适的放大器。如表1所示，TI为电路设计人员提供了广泛的选择范围。例如，TLV9042，OPA2333，OPA391和其他微功率器件在节省功率和其他性能参数之间取得了良好的平衡。对于要求最大功率效率的应用，TLV8802

表1：著名的低功耗设备

降低负载网络的阻力

现在考虑方程式5和6中的其余项。V amp项对P total，avg和V off的抵消不受影响，通常由应用程序预先确定。换句话说，您通常不能使用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 Load也由应用程序预先确定。然而，该术语包括任何组件，其载荷的输出，而不仅仅是负载电阻，R大号。在图1所示的电路中，R负载将包括R L以及反馈分量R 1和R 2。因此， R负载将由公式7和8定义。

通过增加反馈电阻的阻值，可以降低放大器的输出功率。当P输出支配P Quiescent但有其局限性时，此技术特别有效。如果反馈电阻变得远远大于R L，则R L将主导R Load，从而功耗将不再减小。大型反馈电阻器还可能与放大器的输入电容相互作用，从而使电路不稳定并产生大量噪声。

为了使这些元件的噪声影响最小，最好将运算放大器的每个输入端（参见图3）上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指标至少比从每个放大器的输入端观察到的等效电阻的电压噪声大三倍。

各种温度下电阻器热噪声的图表

图3：电阻热噪声

真实示例

使用这些低功耗设计技术，让我们回到最初的问题：由电池供电的传感器在1 kHz时产生0至100 mV的模拟信号需要30 V / V的信号放大率。图4比较了两种设计。左侧的设计使用典型的3.3V电源，不考虑省电尺寸的电阻器和TLV9002通用运算放大器。右边的设计使用较大的电阻值和较低功率的TLV9042运算放大器。请注意，TLV9042处的等效电阻的噪声频谱密度约为9.667kΩ使用这些低功耗设计技术，让我们回到最初的问题：由电池供电的传感器在1 kHz时产生0至100 mV的模拟信号需要30 V / V的信号放大率。图4比较了两种设计。左侧的设计使用典型的3.3V电源，不考虑省电尺寸的电阻器和TLV9002通用运算放大器。右边的设计使用较大的电阻值和较低功率的TLV9042运算放大器。请注意，TLV9042的反相输入端的等效电阻的噪声频谱密度约为9.667kΩ，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能控制由放大器产生的任何噪声。电阻器。

原理图电路显示了典型运算放大器设计与低功耗运算放大器设计之间的比较

图4：典型设计与注重功耗的设计

使用图4中的值，设计规格和适用的放大器规格，可以对公式6进行求解，以得出TLV9002设计和TLV9042设计的P total，avg。为了便于阅读，此处将公式6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。公式12和13显示了结果。用于TLV9002设计和TLV9042用于TLV9002设计和TLV9042

从最后两个方程式可以看出，TLV9002设计消耗的功率是TLV9042的四倍以上从后两个方程式可以看出，TLV9002设计消耗的功率是TLV9042设计的四倍以上。这是放大器I更高的结果Q，在方程10和11的左侧术语表明，随着较小的反馈电阻，如在等式10和11的右侧中的术语的情况下更我占Q和更小的不需要反馈电阻，实施此处描述的技术可以节省大量功率。

结论

我已经介绍了设计低功耗放大器电路的基础知识，包括选择具有低I Q的器件和增加分立电阻器的值。在本系列的下一部分中，我将介绍何时可以使用具有低压电源功能的低功率放大器。

编辑：hfy