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(dòng)設(shè)備,。特別是在物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)4.0和數(shù)字化時(shí)代,，這些手持設(shè)備大大方便了人們的日常生活。從移動(dòng)生命體征監(jiān)測到工業(yè)環(huán)境中的機(jī)器和系統(tǒng)監(jiān)測，很多應(yīng)用紛紛受益,。智能手機(jī)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?yàn)樘峁╇娫吹碾姵仉娔苡邢蓿孕枰谑褂孟碾娏髯钚〉脑?，以最大限度延長設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間,。或者,，通過降低功耗,，使低容量電池也可以實(shí)現(xiàn)相同的電池壽命，同時(shí)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(huì)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(yùn)算放大器。
功耗與性能的權(quán)衡
在選擇合適的放大器時(shí),，往往需要考慮運(yùn)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(zhǔn)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(bǔ)償電容,。
增加帶寬的典型方法是增加偏置電流,，這會(huì)使Gm增加，但會(huì)消耗更多功率。為了保持低功率,，我們不愿意如此,。
通常，補(bǔ)償電容會(huì)設(shè)置主極點(diǎn),，所以理想情況下,，負(fù)載電容根本不會(huì)影響帶寬。
受放大器的物理特性限制,，電容較低時(shí),，通常可以獲得更高帶寬,，但這也會(huì)影響穩(wěn)定性,，在低噪聲增益下,，其穩(wěn)定性會(huì)得到提高,。但是，實(shí)際上,，我們無法在更低噪聲增益下驅(qū)動(dòng)大型的純電容負(fù)載,。
在使用低功耗運(yùn)算放大器時(shí)，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,?？傇肼曌钪饕牟糠挚赡軄碜杂谳斎爰?jí)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(yùn)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(huì)隨著電源電流降低而降低,。失調(diào)電壓是運(yùn)算放大器的另一個(gè)重要指標(biāo),。一般可通過調(diào)整輸入端元件來降低影響,，因此不會(huì)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(huì)影響運(yùn)算放大器的性能,。電阻值較高時(shí)，動(dòng)態(tài)功率和諧波失真會(huì)降低,，但它們會(huì)增大輸出噪聲,，以及與偏置電流相關(guān)的誤差。
為了進(jìn)一步降低功耗,，許多設(shè)備都提供待機(jī)或睡眠功能,。這樣重要設(shè)備功能在閑置時(shí)可以停用，根據(jù)需要重新激活,。低功耗放大器的喚醒時(shí)間通常更長,。表1對前文所述的權(quán)衡因素進(jìn)行了歸納和匯總。
表1.低功耗運(yùn)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(dòng)態(tài)性能，非常適合多種高分辨率,、功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理應(yīng)用,，這些應(yīng)用通常需要使用驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)ADC，如圖1所示,，由ADA4945-1驅(qū)動(dòng)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(hào)鏈?zhǔn)纠?/p>
作者簡介
Thomas Brand于2015年加入德國慕尼黑的ADI公司,，當(dāng)時(shí)他還在攻讀碩士,。畢業(yè)后，他參加了ADI公司的培訓(xùn)生項(xiàng)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。
