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Power Performance Trade-Offs in Operational Amplifiers 作者：ADI 公司 Thomas Brand，現(xiàn)場應(yīng)用工程師 高性能，低功耗：越來越多的應(yīng)用需要滿足這一需求，尤其是由電池供電的移動設(shè)備。特別是在物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)4.0和數(shù)字化時代，這些手持設(shè)備大大方便了人們的日常生活。從移動生命體征監(jiān)測到工業(yè)環(huán)境中的機器和系統(tǒng)監(jiān)測，很多應(yīng)用紛紛受益。智能手機和可穿戴設(shè)備等終端用戶產(chǎn)品也要求更高的性能和更長的電池壽命。 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，以最大限度延長設(shè)備的運行時間。或者，通過降低功耗，使低容量電池也可以實現(xiàn)相同的電池壽命，同時減小尺寸、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。本文著重探討低功耗運算放大器。 功耗與性能的權(quán)衡 在選擇合適的放大器時，往往需要考慮運算放大器的功耗，并做出權(quán)衡。 低功耗往往也意味著低帶寬。但是，這也取決于給定的放大器架構(gòu)和穩(wěn)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提高帶寬-功率比。 例如，增益帶寬積(GBW)一般如下： 
Gm表示跨導(dǎo)，或者是輸出電流和輸入電壓之比(IOUT/VIN)，C表示內(nèi)部補償電容。 增加帶寬的典型方法是增加偏置電流，這會使Gm增加，但會消耗更多功率。為了保持低功率，我們不愿意如此。 通常，補償電容會設(shè)置主極點，所以理想情況下，負載電容根本不會影響帶寬。 受放大器的物理特性限制，電容較低時，通常可以獲得更高帶寬，但這也會影響穩(wěn)定性，在低噪聲增益下，其穩(wěn)定性會得到提高。但是，實際上，我們無法在更低噪聲增益下驅(qū)動大型的純電容負載。 在使用低功耗運算放大器時，需要權(quán)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。總噪聲最主要的部分可能來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(gòu)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(qū)域，1/f電流噪聲是放大器輸出端的總1/f噪聲的主要來源。其他權(quán)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(xiàn)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(diào)電流會隨著電源電流降低而降低。失調(diào)電壓是運算放大器的另一個重要指標。一般可通過調(diào)整輸入端元件來降低影響，因此不會在低功率下導(dǎo)致性能大幅降低，所以VOS和VOS漂移在功率范圍內(nèi)是恒定的。外部電路和反饋電阻(RF)也會影響運算放大器的性能。電阻值較高時，動態(tài)功率和諧波失真會降低，但它們會增大輸出噪聲，以及與偏置電流相關(guān)的誤差。 為了進一步降低功耗，許多設(shè)備都提供待機或睡眠功能。這樣重要設(shè)備功能在閑置時可以停用，根據(jù)需要重新激活。低功耗放大器的喚醒時間通常更長。表1對前文所述的權(quán)衡因素進行了歸納和匯總。 表1.低功耗運算放大器的權(quán)衡
ADA4945-1雙極性差分放大器妥善地權(quán)衡了上述這些特性。它具有低直流失調(diào)、失調(diào)溫漂和出色的動態(tài)性能，非常適合多種高分辨率、功能強大的數(shù)據(jù)采集和信號處理應(yīng)用，這些應(yīng)用通常需要使用驅(qū)動器來驅(qū)動ADC，如圖1所示，由ADA4945-1驅(qū)動AD4022 ADC。 ADA4945-1可配置多種功率模式，您可以在特定轉(zhuǎn)換器上更好地權(quán)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(yīng)AD4021或AD4022的低采樣速率。
圖1.高分辨率數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的簡化信號鏈示例 作者簡介 Thomas Brand于2015年加入德國慕尼黑的ADI公司，當(dāng)時他還在攻讀碩士。畢業(yè)后，他參加了ADI公司的培訓(xùn)生項目。2017年，他成為一名現(xiàn)場應(yīng)用工程師。Thomas為中歐的大型工業(yè)客戶提供支持，并專注于工業(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)電氣工程專業(yè)，之后在德國康斯坦茨應(yīng)用科學(xué)大學(xué)獲得國際銷售碩士學(xué)位。聯(lián)系方式：thomas.brand@analog.com。 |
