灵活使用放大器的禁用引脚

问题:

我可以使用放大器的禁用引脚来节省功耗而不影响性能吗?

RAQ: Issue 150

答案:

在物联网时代,电池供电应用日益兴盛。本文将说明我们并非一定要在节省功耗和精度之间进行取舍。

有些运算放大器有禁用引脚,如果使用得当,可以节省高达99%的功耗,同时不影响精度。禁用引脚主要用于静态工作(待机模式)。在这种模式下,所有IC都切换到低功耗状态,不需要使用器件来处理信号。这使功耗降低了若干个数量级。

如果运算放大器需要用作ADC的缓冲放大器,如图1所示,它必须处于工作状态才能执行其功能。但是,如果通过禁用引脚将放大器切换到关断模式,仍然可以保持低功耗。通常,只要ADC不需要向其采样和保持功能块读入任何新数值,就可以使用关断模式。

Figure 2
图1. 具有ADC驱动器和基准电压缓冲器的ADC输入级的典型原理图。

实现这个功能最简单的方法是通过转换开始命令。在标准ADC中,首先将输入(采样保持)电容充电到要测量的值。这部分在信号发送至ADC进行转换之前完成。然后将输入电容隔离并连接到转换器级的输入端,即转换开始。随后转换完成,并设置已完成信号,具体取决于转换器类型。现在真正的问题来了:运算放大器何时必须处于工作状态?放大器必须比转换开始信号提前工作足够长的时间,才能确保内部输入电容取得与待测信号相同的值。时间长短取决于输入电容的大小、待测电压的大小以及运算放大器驱动容性负载的速率等因素。

ADC (AD7980)的数据手册给出串联400阻抗时,输入电容值为30pF。 但是,运算放大器可不是那么简单。参数表中列出容性负载为15pF,但也有可能更高,参见相应的曲线图(图2)。同时需要考虑2.7nF和20时使用低通滤波器的情况。

Figure 1
图2. ADA4807的频率响应。

此曲线图表明模块可以驱动足够高的容性负载。禁用后,放大器需要大约500ns以达到满量程输出电平,本例中最大值为5V或4.096V。

为了安全起见,我们假设放大器在转换开始前750ns开启。将1kSPS至1MSPS的预估数据进行比较。

1kSPS时,可能节省功耗99.83%(总功耗0.02mW),1MSPS时节省92.41%(总功耗10.75mW)。这只是ADC驱动器节省的功耗;基准电压缓冲器也可以节省功耗。

本例旨在说明现代器件具备的能力。在最短采样时间为500ns时,SINAD偏差小于0.5dB。对于驱动器,还需关注速度更快的相关器件并灵活地使用它们。我们只考虑了用作缓冲器的应用(增益=1)。对于反相或其他放大器,功耗节省也会随具体情况有所不同。需要通过测量来进一步分析。

作者

Thomas Tzscheetzsch

Thomas Tzscheetzsch

Thomas Tzscheetzsch 于2010年加入ADI公司,担任高级现场应用工程师。2010年至2012年,他负责支持德国中部地区的客户群,自2012年以来,他任职于关键客户团队,为关键客户提供支持服务。2017年重组后,他负责中欧国家IHC市场的FAE团队,担任FAE经理。

在职业生涯的最初阶段,他于1992年至1998年在一家机械制造公司任电子工程师,担任部门负责人。在哥廷根应用科学大学完成电气工程学习后,他任职于Max Planck研究院从事太阳能系统研究工作,担任硬件设计工程师。2004年至2010年,他任职于ADI公司产品经销商的现场应用工程师。