设计单电源、低功耗系统的考虑因素：使用交流线路电源的设计

本文考虑将使用有源器件（例如运算放大器、A/D和D/A转换器等）的系统设计转换为单电源供电的影响和性能权衡。（为使用双极性电源实现最佳性能而设计的传统有源器件在单电源操作中固有的性能不佳，尤其是在较低电压下。我们继续观察了几个新产品系列在速度和动态性能方面的优势，这些产品系列建立在专为单电源操作设计和表征的工艺之上。

人们不禁注意到，单电源设计在设计界变得非常流行，因为它们降低了成本，并利用了计算机系统和数字/混合信号设备中常用的广泛可用的电源。许多经典的高性能电路都是使用具有±15 V电源的运算放大器开发的，但现在在（例如）高速视频电路中需要在较低电压下进行单电源操作。为了最大限度地降低处理视频信号时的功耗（通常仅为 1-2 伏峰峰值），使用 5V 单电源。但是，传统的高速运算放大器最初设计为在 ±15 V 电源下正常工作，现在必须在相当低的电压下工作，并在中间电源偏置。然而，降低电源电压会降低静态电流，正如我们将看到的，这会对带宽和压摆率产生不利影响，并可能引入“裕量”问题。单电源供电不仅可取而且必不可少的另一个例子是便携式电池供电设备。当电池是主电源电压时，最小静态电流对于扩展工作至关重要。电池供电系统将在本文的第二部分中详细讨论，该部分将出现在下一期的《模拟对话》中。

电池供电应用的一个主要例子是“笔记本电脑”或“笔记本电脑”PC，其中低功耗、单电源设备是有利且必不可少的。十年前，谁能想到您可以随身携带一个计算能力和内存能力高达旧台式 PC 10×的系统（尺寸和重量的 1/10！–并具有VGA彩色图形显示器，传真/调制解调器和CD-ROM等增强功能，但能够在不充电的情况下耗尽电池2-3小时！

设计（或转换为）单电源系统的另一个动机可能只是为了降低现有多电源设计的成本、复杂性和功耗。具有模拟和数字电路的传统多电源设计通常需要±12 V或±15 V电源为运算放大器供电，+5 V或+12 V电源驱动TTL或CMOS逻辑电路，并且可能需要同时为A/D或D/A转换器供电。使用现有的板载单电源电压（通常为+5 V）为所有组件供电，可以消除对昂贵的DC-DC转换器的需求，这可能会消耗大量的印刷电路板空间。例如，提供高达5 mA输出电流的+15 V至±200 V直流-直流转换器可能需要电路板上2英寸×2英寸的空间;具有 400mA 输出的类似转换器可能需要多达 2“ × 3.5” 的空间！

提高系统的可靠性是单电源操作的另一个不太明显的优势。在远低于其最大额定值的电压水平下工作的组件固有的使用寿命更长。在可靠性计算中，平均故障时间 （MTTF） 计算中包括应力因子（设备工作电压与其最大额定值之比）：最大额定值为 ±18 伏且工作电压为 ±15 伏的放大器的应力系数为 5/6，即 0.833;在+5 V下工作时，应力系数降至5/36（= 0.139）。

在谈到了单电源操作可能有益或必不可少的一些领域之后，让我们更详细地研究一些潜在的设计限制以及设计或转换为单电源操作时可能的权衡。然后，我们将考虑产品、工艺和实践，以克服在单电源设计中使用传统器件时固有的速度和动态限制。虽然在许多示例中使用运算放大器作为我们的模型，但设计问题和性能权衡通常也适用于其他器件。

性能权衡

动态范围：动态范围可能是在单电源设计中使用传统运算放大器时最重要的权衡。动态范围减小会降低信噪比，最终限制可用的系统分辨率。例如，采用±15 V电源供电的传统双极性运算放大器（图1）通常需要在其最大输入/输出摆幅和电源轨之间具有1.5 V至3 V的固定“裕量”。该裕量由输入级的NPN架构和V决定中国经社卫星的输出晶体管级，对于给定的输出负载条件，并且随电源电压变化很小。运算放大器采用 ±15 V 电源供电，输入/输出范围为 ±13 V。

图1.与电源电压相关的裕量图示。

如果电源电压现在降至+5 V单电源（图1右），则满量程范围严格限制在2 × （2.5 V – 2 V） = 1.0 V p-p，因为裕量基本固定。如果可以假设放大器的本底噪声保持不变，则信号摆幅的减小会以相同的比例减小有效动态范围。

输入失调电压：降低电源电压的另一个影响是放大器输入失调电压的偏移。问题源于这样一个事实，即大多数典型工作范围低至±4.5 V的传统运算放大器通常在特定的电源电压（例如±15 V）下进行测试，并对其输入失调进行调整。降低电源电压会导致输入失调电压发生偏移。失调电压的偏移可以通过查看失调电压规格的“电源抑制比”（PSRR）或“电源灵敏度”来确定;它提供了给定电源电压变化的失调变化的度量。

例如，OP177在±20 V时的初始失调为15微伏，PSRR为1 μV/V。如果电源降至±5 V，失调变化如下：

初始输入失调电压 @ + -15 V + -20 μV 电源抑制误差 + -20μV（1 μV/V× 20V 变化） ________
降额输入失调电压 + -40μV

 

地面参考：选择合适的接地基准也变得至关重要，因为对于单个电源轨，根据应用要求，“接地”可能位于电源范围内的任何地方。对于单侧直流测量，负电源轨（-VS） 是一个很好的选择，主要有两个原因：

电源轨之间实现最大动态范围（在放大器的裕量要求范围内）

负电源轨为正电源电流提供低阻抗返回路径

然而，对于双极性直流测量或交流应用，选择并不那么简单。需要“伪”接地来处理“双极性”电压或交流波形在“零”值附近的交替偏移。这种伪接地（但不一定是最好的）的一个明显选择是位于正电源轨和负电源轨之间的中点。可以通过多种方式创建此基础。创建伪地的一种简单方法是使用电阻分压器，如图2所示。

图2.简单的电阻接地参考。

这种方法存在几个问题：由于电阻不匹配而导致的接地点不准确、电阻漂移以及无法加载电路（图 3）。正电源轨的变化也会移动接地点。而且，也许最能说明问题的是，它只能用作输入接地基准，而不能用作输出接地回路。

图3.电阻接地基准的等效电路。

第二种解决方案涉及使用齐纳二极管或基准电压稳压器（图 4）。这消除了对电源轨的接地依赖;但是，齐纳或稳压器电压的选择可能会受到限制。其较低的阻抗使其可用作负载范围有限的输出接地。

图4.齐纳二极管作为伪地。

也许最灵活的方法是等效于稳压器——将电阻分压器或电阻齐纳对（可能使用单通道或堆叠式1.23 V AD589）与具有适当输出电流范围的低成本通用运算放大器（用作低阻抗接地发生器）组合在一起。

图5显示了伪接地技术在设计50 Hz/60 Hz单电源陷波滤波器中的应用。

图5.单电源 50/60Hz 陷波滤波器。

轨到轨

一类具有极低裕量要求的特殊放大器，称为轨到轨放大器，因其独特的工作能力，可以在输入和/或输出范围的极端情况下工作在地或接近地和/或接近正电源轨（在几毫伏以内）的情况下工作。这显著地将系统的动态范围增加到几乎整个电源电压范围。

传统的运算放大器输入设计（图 6）采用 NPN 双极结型晶体管 （BJT），具有高带宽 （ft）、更低的噪声和低漂移，但更高的电流消耗或结型场效应晶体管（JFET），具有非常高的输入阻抗、非常低的泄漏（偏置）电流和低失真的优点。

图6.传统的输入级使用成对的BJT或JFET晶体管。

遗憾的是，这两种设计都需要使用双+和-电源电压工作，并且在任一电源轨上都需要2-3伏的裕量，以便在其线性区域内有效工作。

轨到轨放大器采用特殊的输入结构，使用背靠背 NPN 和 PNP 输入晶体管以及双折叠级联电路，允许输入达到任一供电轨的毫伏以内。

图7.轨到轨输入级使用背靠背的互补晶体管对耦合到双折叠级联增益级（未显示）。

传统运算放大器的输出级（图8）使用以AB类操作排列的NPN-PNP发射极-跟随器对。输出摆幅受 V 限制是每个晶体管，加上串联电阻两端的IR压降。轨到轨放大器输出来自配置的NPN-PNP对的集电极，如图8所示;输出摆幅仅受 V 限制中国经社卫星的晶体管（可以低至几毫伏，取决于集电极发射极电流），由R上，并按负载电流。

Figure 8. Conventional and rail-to-rail output stages.

An indication of how well a rail-to-rail amplifier performs is its ability to remain linear at or near zero volts. In the circuit of Figure 9a, the common-mode input to an OP90 is driven linearly through a 2.5-volt range from zero, and the amplifier is configured to multiply the resulting input error by 1000. The plot in (b) shows a small and essentially linear deviation over the 2.5-V range, without any hooks, bumps, or discontinuities, even in the vicinity of zero.

图9.测试低轨附近的线性度。

表1比较了ADI公司用于轨到轨应用的放大器规格。

带宽、压摆率： 除了降低电源电压外，运算放大器制造商还可以通过将器件设计为需要较少的静态电源电流来进一步降低功耗要求。电源电流不受电源电压的强烈影响;它主要由内部偏置电流控制，内部偏置电流由设计人员在偏置电路中选择的电阻确定。然而，一般来说，带宽、压摆率和噪声规格会受到静态电流降低的不利影响。例如，在给定电路中，电阻增加4×以降低静态电流，可以使约翰逊噪声加倍，而约翰逊噪声与电阻的平方根成正比。

表 1.单电源放大器指南

 

部件号 - 器件/芯片

温度范围

电源电压

轨到轨

V操作系统（毫伏）

压摆 （V/ms）

OP

113

213

413

I

•

•

•

125

0.9

OP

279*

I

•

•

•

•

4000

3

OP

183

283

I

•

•

•

•

1000

10

OP

284

484†

H

•

•

•

•

•

•

65

2.4

OP

191

291

491*†

H

•

•

•

•

•

300

2.4

OP

292

492†

H

•

•

•

800

3

OP

193

293

493

H

2V

•

•

•

75

0.012

OP

295

495

H

•

•

•

•

•

300

0.03

OP

196

296*

496*†

H

•

•

•

•

•

300

0.3

AD

820

822

824†

I

•

•

•

•

•

400

3

SSM

2135

I

•

•

•

2000

0.9

tp

(ns)

CMP

401*†

H

•

•

•

•

3000

17

CMP

402†

H

•

•

•

•

3000

54

OP

113

213

413

I

•

•

•

125

0.9

 

单电源放大器指南，第 2 部分

 

Part No. - Devices/Chip				e Noise nV/√Hz	IOUT (mA)	ISY (mA)	IBIAS (mA)	GBP (MHz)	Key Features
	1 倍	2 倍	4 倍
OP	113	213	413	4.7	±30	1.75	650	3.5	低噪声、低漂移
OP		279*		22	±80	3.5	300	5	80 mA 输出电流
OP	183	283		10	±25	1.5	600	5	5 MHz，+3至+36 V
OP		284	484†	3.9	±8	1.25	300	3.25	与OP27类似，单电源供电
OP	191	291	491*†	35	±13	0.4	50	3	低功耗R-R输入/输出
OP		292	492†	15	±8	1.2	700	4	低成本
OP	193	293	493	65	±8	0.015	15	0.035	精度高，电池寿命长
OP		295	495	51	±18	0.15	20	0.075	精度和输出驱动
OP	196	296*	496*†	26	±4	0.05	10	0.35	微功率R-R输入/输出
广告	820	822	824†	16	±25	0.8	12 pA	1.8	场效应管输入，低功耗
SSM		2135		5.2	±30	3.5	750	3.5	非常适合音频
						Isy
						(mA)
CMP			401*†			7.7			23 ns比较器
CMP			402†			2.4			65 ns比较器
温度范围 I： -40°C 至 +85°C;高：-40°C 至 +125°C 封装 *将提供 TSSOP;†提供窄 SO 封装 规格在 Vs= +5 V.

 

对于直流到中低频应用，例如便携式医疗、地质或气象设备，功耗是关键因素，带宽降低不太重要。然而，为了降低功耗而在较低电源电压下工作的视频速度放大器，由于静态电流降低，带宽和压摆率会降低。

这对高速、低功耗放大器的设计有什么限制？虽然带宽确实与静态电流或工作电流成正比，但带宽与静态电流的实际比MHz/mA（以及其他特性）是运算放大器系列设计的特定制造工艺的函数。

图10显示了参考斜率，描述了ADI公司BiFET、互补双极性（CB）和eXtra快速互补双极性（XFCB）工艺的带宽与静态电流之间的典型关系，并具有代表性的产品类型。请注意，AD8011能够提供300 MHz带宽，同时采用+1 V单电源时最大静态电流为0.5 mA（在2 kHz时仅产生10 nV/√Hz噪声）。

图 10.采用各种处理技术的IC运算放大器的带宽与静态电源电流的关系

电源噪声：电源线上的噪声可能是一个严重的问题，尤其是在测量低电平信号时。为了减少多电源系统中对DC-DC转换器或逆变器的需求，设计人员利用板载+5 V逻辑电源为运算放大器和数据转换器供电，使问题更加复杂。难点在于，除了必须通过变化的逻辑和时钟状态随机确定输出电流外，大多数逻辑电源都来自高效但噪声大的开关电源。虽然精心设计的逻辑电路不太容易受到典型开关“尖峰”的影响，但运算放大器和数据转换器可能会受到严重影响，因为尖峰可能同时出现在电源轨和接地回路上。

需要注意的是，运算放大器的PSRR（针对直流和低频）会随频率而降低。来自电源的尖峰不仅会出现在放大器的输出中，而且如果它们足够大，它们可能会在放大器输入级进行整流并导致直流偏移。同样，对于A/D和D/A转换器，开关尖峰会在其模拟部分引入误差，甚至可能导致时钟误差。在所有情况下，防御措施都包括仔细注意电路板布局（层数、电路位置和轨道布线限制）、滤波、旁路、屏蔽和接地。

只需对高效LC噪声滤波器进行少量投资，即可在敏感电路的电源输入端使用铁氧体磁珠，如图11a所示。图11b说明了使用这种滤波器如何几乎消除电源输出端出现脉冲引起的“毛刺”和“尖峰”。

图 11.滤波器以衰减电源尖峰。它应该位于屏蔽电路区域的入口外。

我们在上面讨论了使用单个电源设计电路或系统时的优势和可能的性能权衡，以及有助于克服一些设计限制的产品和技术。

审核编辑：郭婷