运算放大器的功耗性能权衡

高性能和低功耗：这一要求即将实现 在越来越多的应用中，特别是在移动、电池供电方面 设备。特别是在物联网、工业 4.0 和数字化时代，这些 手持设备使日常生活的许多方面都更轻松。在应用程序中也是如此 从移动生命体征监测到机器和系统监测 在工业环境中。对更高性能和最长电池寿命的需求 也出现在最终用户产品中，例如智能手机和可穿戴设备。

可用于供电的电池能量有限，因此需要高效 在活动模式下具有最小电流的组件，可最大限度地延长设备运行时间。 或者，较低的功耗允许实现相同的电池 使用低容量电池的使用寿命，减小尺寸、重量和成本。温度 管理也不应被忽视。在这里，更高效的组件 发挥积极作用。可以减少占用空间的冷却管理 因为产生的热量较低。有广泛的 提供低功耗甚至超低功耗 （ULP） 组件。本文 特别关注低功耗运算放大器。

功耗和性能之间的权衡

通常存在与操作功耗相关的权衡 在选择合适的放大器时需要考虑的放大器。

较低的功耗通常也意味着较低的带宽。但是，这也取决于 关于给定的放大器架构和稳定性要求。越高 寄生电容和电感，通常带宽越低。因此 例如，跨阻放大器（电流反馈放大器）提供 带宽相对较高，但精度较低。通过一些技巧， 带宽功率比可以提高。

例如，增益带宽（GBW）通常如下：

Gm是跨导，或输出电流与 输入电压（I外/V在），C为内部补偿电容。

增加带宽的经典方法是增加偏置电流，这将 增加 Gm以更多的功耗为代价。但我们不想做 用于降低功率。

通常，补偿电容应设置主极点，因此理想情况下 负载电容完全不会影响带宽。

较低的电容通常产生较高的带宽，然后受到限制 受放大器的物理特性影响，但也会损害稳定性， 而它通常会在低噪声增益下提高稳定性。不过 实际上，我们无法在较低的噪声增益下驱动那么大的纯容性负载。

使用低功耗运算放大器的另一个权衡是通常更高的电压 噪声。但是，折合到输入端的电压噪声通常是放大器的主要因素。 对总输出宽带噪声的贡献，但它可能由 电阻噪声。总噪声通常由 输入级（例如，集电极具有散粒噪声，漏极具有热效应 噪音）。1/f 噪声（闪烁噪声）因架构和 是由组件材料的特殊缺陷等引起的。 因此，它通常由组件尺寸决定。相比之下，电流 在较低的功率水平下，噪声通常较低。然而，特别是在双极性放大器中， 它也不应被忽视。在1/f区域，1/f电流噪声可以是 放大器输出端总1/f噪声的主要贡献因素。其他权衡 在于失真性能和漂移值。通常使用低功耗运算放大器 表现出更高的总谐波失真（THD），但与电流噪声一样， 双极性放大器中的输入偏置和失调电流随减小而减小 电源电流。运算放大器的另一个重要特性是 失调电压。它通常通过输入侧的适应来影响 组件，因此不会在 低功耗，因此VOS和VOS漂移在功率范围内是恒定的。外部电路 和反馈电阻（RF） 也会影响操作的性能 放大器。较高的电阻值会降低动态功率和谐波 失真，但它们会增加输出噪声和与 偏置电流。

为了进一步降低功耗，许多设备通常具有 待机或睡眠功能。这样可以停用关键设备功能 不使用时，仅在需要时重新激活。唤醒时间为 对于低功率放大器，通常更长。前面描述的权衡是 总结见表1。

 

	功耗 ↓	反馈电阻（RF) ↑
积极作用	电流噪声 ↓ 偏置电流漂移 ↓ 失调电流漂移 ↓	动态功率 ↓ 失真 （THD） @ 高频 ↓
负面影响	带宽 ↓ 电压噪声 ↑ 失真 （THD） @ 高频 ↑ 唤醒时间 ↑ 驱动器功率 ↓	输出噪声 ↑ 对偏置电流的影响 ↑
中性效果	失调电压漂移

 

ADA4945-1双极性差分放大器在这些特性之间提供了很好的折衷方案。由于其低直流偏移、直流失调漂移和出色的出色 动态性能，非常适合众多高分辨率、功能强大的数据 采集和信号处理应用，其中需要驱动器 ADC，如图1所示，使用ADA4945-1驱动AD4022 ADC。包括 多种功耗模式，您可以优化性能与功耗权衡 特定的转换器。例如，其全功率模式应与AD4020良好配对，然后您可以为较低样本切换到低功耗模式 AD4021或AD4022的速率。

图1.高分辨率数据采集系统的简化信号链示例。

审核编辑：郭婷