運算放大器功耗與性能的權衡

作者:ADI現場應用工程師Thomas Brand


高性能,低功耗:越來越多的應用需要滿足這一需求,尤其是由電池供電的行動裝置。特別是在物聯網、工業4.0和數位化時代,這些手持裝置便利了人們的日常生活。從行動生命體徵監測到工業環境中的機器和系統監測,很多應用紛紛受益。智慧手機和可穿戴裝置等終端使用者產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,所以需要使用消耗電流最小的元件,以最大限度延長裝置的運作時間。或者,透過降低功耗,使低容量電池也可以實現相同的電池壽命,同時精減尺寸、重量和成本。溫度管理同樣不容忽視。同樣的,更高效的元件也能產生積極的作用。冷卻管理需要佔用空間,如果產生的熱量減少,佔用的空間也會減少。目前,市面上已經提供了多種低功耗,甚至是超低功耗(ULP)元件,而本文則著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,往往需要考慮運算放大器的功耗,並做出權衡。

低功耗往往也表示低頻寬。但是,這也取決於給定的放大器架構和穩定性要求。寄生電容和電感越高,通常頻寬越低。例如,電流回饋放大器提供相對較高的頻寬,但精準度較低。我們可以使用一些技巧來提高頻寬-功率比。

例如,增益頻寬積(GBW)一般如下:

366176-eq-1

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。

增加頻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,我們不做這樣的選擇。

通常,補償電容會設定主極點,所以理想情況下,負載電容根本不會影響頻寬。

受放大器的物理特性限制,電容較低時,通常可以獲得更高頻寬,但這也會影響穩定性,在低雜訊增益下,其穩定性會得到提高。但是,實際上,我們無法在更低雜訊增益下驅動大型的純電容負載。

在使用低功耗運算放大器時,需要權衡的另一因素是通常較高的電壓雜訊。但是,輸入電壓雜訊是放大器最主要的雜訊(占總輸出寬頻雜訊的一部分),但也可能是電阻雜訊。總雜訊最主要的部分可能來自於輸入級中的噪音源(例如,集電極產生散射雜訊,漏極產生熱雜訊)。1/f雜訊(閃爍雜訊)因架構而異,是由元件材料中的特殊缺陷引起的。所以,它一般取決於元件的大小。相反,電流雜訊在更低的功率位準下通常更低。但也不容忽視,尤其是在雙極放大器中。在1/f區域,1/f電流雜訊是放大器輸出端的總1/f雜訊的主要來源。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),但是和電流雜訊一樣,雙極放大器中的輸入偏置和失調電流會隨著電源電流降低而降低。失調電壓是運算放大器的另一個重要指標。一般可透過調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漂移在功率範圍內是恆定的。外部電路和回饋電阻(RF)也會影響運算放大器的性能。電阻值較高時,動態功率和諧波失真會降低,但它們會增大輸出雜訊,以及與偏置電流相關的誤差。

為了進一步降低功耗,許多裝置都提供待機或睡眠功能。這樣重要功能在閒置時可以停用,並根據需要再重新啟動。低功耗放大器的喚醒時間通常更長。表1對前文所述的權衡因素進行了歸納和匯總。

表1. 低功耗運算放大器的權衡
  功耗 ↓ 回饋電阻(RF) ↑
正作用 電流雜訊 ↓
偏置電流漂移 ↓
失調電流漂移 ↓
動態功率 ↓
失真 (THD) @ HF ↓
負作用 頻寬 ↓
電壓雜訊 ↑
失真(THD) @ HF ↑
喚醒時間 ↑
驅動功率 ↓
輸出雜訊 ↑
對偏置電流的影響 ↑
中性作用
失調電壓漂移  

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、失調溫漂和卓越的動態性能,非常適合多種高解析度、功能強大的資料獲取和訊號處理應用,這些應用通常需要使用驅動器來驅動ADC,如圖1所示,由ADA4945-1驅動 AD4022 ADC。ADA4945-1可配置多種功率模式,您能在特定轉換器上更佳權衡性能與功率。例如,在全功率模式下,可與 AD4020配對,降低至低功耗模式後,可以適應 AD4021 或AD4022的低採樣速率。

An example of a simplified signal chain for a high resolution data acquisition system

圖1. 高解析度資料獲取系統的簡化訊號鏈示例。