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      如何掌握運算放大器功耗與性能的權(quán)衡之術(shù)?

      發(fā)布時間:2021-09-06 來源:亞德諾半導體 責任編輯:lina

      【導讀】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。
       
      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:
       
      如何掌握運算放大器功耗與性能的權(quán)衡之術(shù)?
       
      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(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。
       
      如何掌握運算放大器功耗與性能的權(quán)衡之術(shù)?
      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。
       
      如何掌握運算放大器功耗與性能的權(quán)衡之術(shù)?
      圖1. 高分辨率數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的簡化信號鏈示例。
       
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