作者：ADI 公司 Thomas Brand，現場(chǎng)應用工程師
高性能，低功耗：越來(lái)越多的應用需要滿(mǎn)足這一需求，尤其是由電池供電的移動(dòng)設備。特別是在物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)4.0和數字化時(shí)代，這些手持設備大大方便了人們的日常生活。從移動(dòng)生命體征監測到工業(yè)環(huán)境中的機器和系統監測，很多應用紛紛受益。智能手機和可穿戴設備等終端用戶(hù)產(chǎn)品也要求更高的性能和更長(cháng)的電池壽命。
因為提供電源的電池電能有限，所以需要在使用消耗電流最小的元件，以最大限度延長(cháng)設備的運行時(shí)間�；蛘�，通過(guò)降低功耗，使低容量電池也可以實(shí)現相同的電池壽命，同時(shí)減小尺寸、重量和成本。溫度管理同樣不容忽視。同樣，更高效的元件也起積極作用。冷卻管理需要占用空間，如果產(chǎn)生的熱量減少，占用的空間也會(huì )減少。目前，市面上提供多種低功耗，甚至是超低功耗(ULP)元件。本文著(zhù)重探討低功耗運算放大器。
功耗與性能的權衡
在選擇合適的放大器時(shí)，往往需要考慮運算放大器的功耗，并做出權衡。
低功耗往往也意味著(zhù)低帶寬。但是，這也取決于給定的放大器架構和穩定性要求。寄生電容和電感越高，通常帶寬越低。例如，電流反饋放大器提供相對較高的帶寬，但精準度較低。我們可以使用一些技巧來(lái)提高帶寬-功率比。
例如，增益帶寬積(GBW)一般如下：
Gm表示跨導，或者是輸出電流和輸入電壓之比(IOUT/VIN)，C表示內部補償電容。
增加帶寬的典型方法是增加偏置電流，這會(huì )使Gm增加，但會(huì )消耗更多功率。為了保持低功率，我們不愿意如此。
通常，補償電容會(huì )設置主極點(diǎn)，所以理想情況下，負載電容根本不會(huì )影響帶寬。
受放大器的物理特性限制，電容較低時(shí)，通�？梢垣@得更高帶寬，但這也會(huì )影響穩定性，在低噪聲增益下，其穩定性會(huì )得到提高。但是，實(shí)際上，我們無(wú)法在更低噪聲增益下驅動(dòng)大型的純電容負載。
在使用低功耗運算放大器時(shí)，需要權衡的另一因素是通常較高的電壓噪聲。但是，輸入電壓噪聲是放大器最主要的噪聲（占總輸出寬帶噪聲的一部分），但也可能是電阻噪聲�？傇肼曌钪饕牟糠挚赡軄�(lái)自于輸入級中的噪聲源（例如，集電極產(chǎn)生散射噪聲，漏極產(chǎn)生熱噪聲）。1/f噪聲（閃爍噪聲）因架構而異，是由元件材料中的特殊缺陷引起的。所以，它一般取決于元件的大小。相反，電流噪聲在更低的功率電平下通常更低。但也不容忽視，尤其是在雙極放大器中。在1/f區域，1/f電流噪聲是放大器輸出端的總1/f噪聲的主要來(lái)源。其他權衡因素包括失真性能和漂移值。低功耗運算放大器通常表現出更高的總諧波失真(THD)，但是和電流噪聲一樣，雙極放大器中的輸入偏置和失調電流會(huì )隨著(zhù)電源電流降低而降低。失調電壓是運算放大器的另一個(gè)重要指標。一般可通過(guò)調整輸入端元件來(lái)降低影響，因此不會(huì )在低功率下導致性能大幅降低，所以VOS和VOS漂移在功率范圍內是恒定的。外部電路和反饋電阻(RF)也會(huì )影響運算放大器的性能。電阻值較高時(shí)，動(dòng)態(tài)功率和諧波失真會(huì )降低，但它們會(huì )增大輸出噪聲，以及與偏置電流相關(guān)的誤差。
為了進(jìn)一步降低功耗，許多設備都提供待機或睡眠功能。這樣重要設備功能在閑置時(shí)可以停用，根據需要重新激活。低功耗放大器的喚醒時(shí)間通常更長(cháng)。表1對前文所述的權衡因素進(jìn)行了歸納和匯總。
表1.低功耗運算放大器的權衡
ADA4945-1雙極性差分放大器妥善地權衡了上述這些特性。它具有低直流失調、失調溫漂和出色的動(dòng)態(tài)性能，非常適合多種高分辨率、功能強大的數據采集和信號處理應用，這些應用通常需要使用驅動(dòng)器來(lái)驅動(dòng)ADC，如圖1所示，由ADA4945-1驅動(dòng)AD4022 ADC。 ADA4945-1可配置多種功率模式，您可以在特定轉換器上更好地權衡性能與功率。例如，在全功率模式下，可與AD4020配對，降低至低功耗模式后，可以適應AD4021或AD4022的低采樣速率。
圖1.高分辨率數據采集系統的簡(jiǎn)化信號鏈示例
作者簡(jiǎn)介
Thomas Brand于2015年加入德國慕尼黑的ADI公司，當時(shí)他還在攻讀碩士。畢業(yè)后，他參加了ADI公司的培訓生項目。2017年，他成為一名現場(chǎng)應用工程師。Thomas為中歐的大型工業(yè)客戶(hù)提供支持，并專(zhuān)注于工業(yè)以太網(wǎng)領(lǐng)域。他畢業(yè)于德國莫斯巴赫的聯(lián)合教育大學(xué)電氣工程專(zhuān)業(yè)，之后在德國康斯坦茨應用科學(xué)大學(xué)獲得國際銷(xiāo)售碩士學(xué)位。聯(lián)系方式：thomas.brand@analog.com 。 |
