运算放大器电路中的功耗计算浅析

一、了解运算放大器电路中的功耗

首先，研究具有低静态电流（IQ）的放大器，以及改变反馈网络的电阻会对功耗有什么影响。

参考以下电路，该电路使用电池供电的传感器来生成1KHz时幅度为50mV且偏移为50mV的模拟正弦信号。

对于信号调节，信号必须增加到 0V-3V范围（如下图所示）。

示例电路中的输入和输出信号

为了尽可能节省电池量，需要增益为 30 的同相放大器架构 ，如下图。那我们应该怎么降低电路的功耗呢？

传感器放大器电路

静态功率、运算放大器输出功率和负载功率都会影响运算放大器电路的功耗。静态功率是保持放大器开启所需的功率，通常在 Datasheet 中写为 IQ（静态电流），如下所示：

运放的静态电流

驱动负载时运算放大器输出级使用的功率称为输出功率。最后，负载功率是指负载消耗的能量。

在这个例子中，有一个单电源运算放大器，其输出信号具有直流电压偏置，因此，我们将应用下面的等式来计算总体平均功率。

V+是电源电压

Voff是输出信号的直流偏移

Vamp 是输出信号的幅度

RLoad 是运算放大器的总负载电阻

需要注意的是，总功率与 IQ 相关，与 RLoad 成反比。

各类数值计算

二、选择具有正确 IQ 的组件

由于上图中的等式 5 和等式 6 中有很多的变量，因此在选择材料时，最好只关注其中一个变量。

降低总功耗最明显的技术是选择低 IQ 的放大器，当然也有一些缺点。例如，IQ较低的设备通常带宽较小，噪声较多，并且更难以稳定。

由于不同类型运算放大器的 IQ 可能相差十倍，因此必须要找到合适的运算放大器。下面比较了 TLV9042、OPA2333、OPA391 和 TLV8802。

对于需要纯数值分析的最大功率效率应用来说，选择TLV8802是最好的。

各类低功耗运放的比较

三、降低负载网络的电阻值

除了等式 5 和等式 6 ，还需要考虑其他项，Vamp 项相互抵消。因此通常由应用程序确定。Ptotal 、avg和 Voff 不受影响。换句话说，系统无法通过使用 Voff 来切断电源使用 。

同样，V+轨电压通常是由电路的电源电压决定。此外，RLoad 由程序确定。RLoad 指的是任何负载输出，而不仅仅是负载电阻 RL。RLoad 将包含下图所示电路中的 R L 以及 反馈组件 R1 和 R2。

感器放大器电路

因此，RLoad 如下面等式 7 和 8 所示：

通过增大反馈电阻值来降低系统中放大器的输出功率。当 P 输出数量超过 P 静态时，此方法非常有用，但它也有缺点。

如果反馈电阻大大超出RL，那么RL将控制RLoad，导致功率达到稳定水平。反馈电阻与放大器的输入电容相互作用，导致电路变得不稳定和噪声。

建议将每个运算放大器输入端相应电阻的热噪声（如下图）与放大器的电压噪声谱密度进行比较，以减少这些组件产生的噪声。

作为一般规则，放大器的输入电压噪声密度要求应该是从每个输入测量的等效电阻的电压噪声的三倍。

电阻热噪声

四、实际案例

1、电路设计

上面我们说到，要求电池供电的传感器具有 30 增益的信号放大器，以 1kHz 提供 0 至 100mV 的模拟信号 。

这 2 种设计如下图所示。左侧的设计使用了标准3.3V电源，省电电阻和TLV9002通用运算放大器。右侧设计采用TLV9042运放，电阻值较大，功耗较低。

当 TLV9042 反相输入端的等效电阻约为9.667时，噪声频谱密度小于放大器宽带噪声的三分之一，从而确保运算放大器的噪声主要是来自电阻引起的噪声。

典型设计和微妙设计

根据上图的数值，设计参数以及两个运算放大器的规格，可以使用公式 6 分别获得LV9002 和 TLV9042 设计的 Ptotal ,avg 。

根据前面的计算，由于放大器的 I Q较大，TLV9002 设计的功耗是TLV9042 设计的四倍多。除此之外，还可以知道使用低反馈电阻值，高 IQ运算放大器也不会显着节省功耗。

在上面的例子中，我们可以使用两种策略：提高电阻值并选择静态电流较低的运算放大器。在大多数运算放大器应用中，这两种技术都是可行的。

2、使用低压轨来节省电力

回看公式 1 和 6，计算具有正弦信号和直流偏置电压的单电源运算放大器电路的平均功耗：

如公式 6 所示，V+ 是代表线路的电源轨 (V+)，功耗与 V + 成正比，因此将 V+ 降低至电路中可达到的最低电源电压是另一种降低功耗的技术。

为了将内部晶体管保持在预期功能范围内所需的最小电压，因此许多运算放大器的最小电源电压范围是2.7V 或 3.3V。

有些运算放大器能够在低至 1.8V 甚至更低的电压下工作。TLV9042 通用运算 放大器。例如，可以通过 1.2V 电源轨运行。

3、电池供电应用

很多传感器和智能设备都由电池供电，当电池耗尽时，其端子电压会低于其标称电压额定值，例如，1.5V碱性AA电池的标称电压为1.5V。

初始空载测量时的实际端电压可能接近1.6V，当电池耗尽时，该端子的电压将降至1.2V甚至更低 。

使用可在1.2V下工作的运算放大器具有以下优点：

即使电池接近充电周期结束，运放电路扔将继续工作更长时间。

运算放大器电路可以仅使用一节1.5V电池，而不时使用两节1.5V电池来生成3V电压轨

参考下图的电池放电图，可以知道为什么较低电压的运算放大器可以延长电池的使用寿命。电池的放电周期通常与此图类似，电池的端电压将开始接近其标称额定值。随着电池放电，端电压将稳定下降。当电池接近充电周期结束时，其端电压将迅速下降。

如果运算放大器电路仅在接近电池标称电压（如V1）的电压工作，则运算放大器电路的工作周期t1会很短。

使用可以在稍低电压（例如V2）下工作的运算放大器可以大大延长电池的工作寿命t2。

单节电池的典型放电曲线

虽然效果因电池类型、电池负载和其他变量而异，但很明显，工作电源较低的运算放大器具有较长的工作时间。

4、低电压数字逻辑电平

具有低电源电压能力的低功耗运算放大器可以用于采用低电压轨的数字和模拟电路的应用。数字逻辑的标准电压范围为 5V 至 1.8V 及以下（如下图）。

在较低电压下，数字逻辑（如运算放大器电路）变得更加节能，因此，可以选择较低级别的数字逻辑。

你可以选择对模拟和数字电路使用相同的电源电压电平，以保证设计过程更容易。具有1.8V功能的运算放大器（例如高精度、宽带宽OPA391 或成本优化的TLV9001在这种情况下可能很有用）。

但是要注意，设计必须使用1.2V数字轨，在布线的时候必须清除可能从电路逃逸到模拟设备电源引脚的噪声。

标准逻辑电平

五、总结

这篇文章中，主要是通过查看运算放大器的规则来快速识别低功耗运算放大器，其中两种方法是：

在带宽允许的情况下选择具有低静态电流的运算放大器

在反馈电路中选择运算放大器

确保低功耗运算放大器的其他需要考虑的因素是低压轨和低压数字电平的使用。

审核编辑：刘清