使用低功耗運(yùn)算放大器進(jìn)行設(shè)計(jì)，第 3 部分：使用關(guān)斷放大器節(jié)省功耗
在我之前的文章中，我介紹了優(yōu)化運(yùn)算放大器 (op amp) 電路以節(jié)省功耗，并討論了一些可以利用具有低壓電源功能的放大器的應(yīng)用。在“使用低功耗運(yùn)算放大器進(jìn)行設(shè)計(jì)”系列的這一部分中，我將展示如何使用更專業(yè)的器件來(lái)節(jié)省功耗：關(guān)斷放大器。
關(guān)機(jī)功能
有時(shí)，電路設(shè)計(jì)人員希望節(jié)省功率，但又不能使用具有低靜態(tài)電流 (I Q ) 的運(yùn)算放大器，因?yàn)榈凸β史糯笃魍ǔ?huì)在帶寬、噪聲和穩(wěn)定性方面進(jìn)行權(quán)衡。這個(gè)問(wèn)題的一個(gè)常見(jiàn)解決方案是選擇一個(gè)關(guān)斷放大器，我們可以通過(guò)切換其關(guān)斷或啟用引腳將其置于低功耗狀態(tài)，如圖 1 所示。禁用或關(guān)斷放大器會(huì)調(diào)整其偏置電路，從而顯著降低降低設(shè)備的 I Q繪制。關(guān)斷放大器結(jié)合了器件開(kāi)啟時(shí)更高帶寬運(yùn)算放大器的性能和器件關(guān)閉時(shí)顯著的節(jié)能效果。
圖 1：TLV9002S 關(guān)機(jī)切換
關(guān)斷引腳的好處
關(guān)斷放大器的主要好處很簡(jiǎn)單：我們可以將放大器置于低功耗狀態(tài)。但是，當(dāng)我們可以切換電源引腳時(shí)，為什么還需要關(guān)閉引腳呢？事實(shí)證明，關(guān)斷放大器還有其他不太明顯的優(yōu)勢(shì)，例如在關(guān)斷時(shí)提供輸入電壓保護(hù)和定義的輸出狀態(tài)。
大多數(shù)放大器從其輸入引腳到電源軌都有輸入靜電放電 (ESD) 二極管。這些二極管旨在防止短期 ESD 事件，但在施加高于 V+ 軌或低于 V- 軌的輸入電壓時(shí)，它們可能會(huì)損壞。如圖 2 所示，如果通過(guò)電源引腳關(guān)閉放大器并施加輸入信號(hào)，輸入 ESD 結(jié)構(gòu)可能會(huì)損壞。然而，當(dāng)使用關(guān)斷引腳關(guān)閉放大器時(shí)，其電源軌仍然存在，并允許輸入引腳繼續(xù)看到正常的輸入電壓電平。大多數(shù)關(guān)斷放大器都是如此。如有疑問(wèn)，請(qǐng)查閱產(chǎn)品數(shù)據(jù)表或在TI E2E?TM?論壇上咨詢工程師。
圖 2：使用輸入信號(hào)打開(kāi)運(yùn)算放大器的 ESD 二極管
使用關(guān)閉引腳關(guān)閉設(shè)備的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它可以將輸出置于已知狀態(tài)。當(dāng)運(yùn)算放大器進(jìn)入關(guān)斷模式時(shí)，數(shù)據(jù)手冊(cè)通常會(huì)將輸出描述為成為高阻抗節(jié)點(diǎn)。當(dāng)運(yùn)算放大器僅通過(guò)電源軌關(guān)閉時(shí)，輸出引腳的行為是不確定的。同樣，如果有疑問(wèn)，我們可以在產(chǎn)品數(shù)據(jù)表中仔細(xì)檢查此功能。正如技術(shù)文章中強(qiáng)調(diào)的那樣，“那么運(yùn)算放大器關(guān)斷引腳到底應(yīng)該做什么？” 停機(jī)引腳的其他潛在好處包括數(shù)字邏輯兼容性、成本節(jié)省、空間節(jié)省和設(shè)計(jì)復(fù)雜性的降低。
關(guān)機(jī)省電
對(duì)于關(guān)斷應(yīng)用，我們可以使用放大器的 I Q、其關(guān)斷 I Q (I QSD )、其電源電壓 (V supply ) 以及其預(yù)期的關(guān)閉時(shí)間 (t on ) 和關(guān)閉時(shí)間 (t off ) 來(lái)估計(jì)可用的靜態(tài)功耗。如果電阻負(fù)載可以忽略不計(jì)，則靜態(tài)節(jié)能將與總節(jié)能相匹配。為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，讓我們假設(shè)是這種情況。在此假設(shè)下，公式 1 計(jì)算了開(kāi)關(guān)設(shè)備的平均功耗。類似地，公式 2 計(jì)算了與始終保持開(kāi)啟的設(shè)備相比節(jié)省的平均功率：
(1)
(2)
現(xiàn)在讓我們使用方程式 1 和 2 的一些實(shí)際測(cè)量值來(lái)估計(jì)潛在的停機(jī)功率節(jié)省。對(duì)于此示例，請(qǐng)考慮采用單位增益緩沖器配置的 TLV9042S 器件。輸入連接到中間電源，輸出沒(méi)有負(fù)載，如圖 3 所示。我的同事Carolina 在三個(gè)常見(jiàn)的電源電壓電平下為單元供電并測(cè)量了相應(yīng)的 I Q，然后將設(shè)備放入關(guān)機(jī)并在每個(gè)電源級(jí)別再次測(cè)量 I Q 。表 1 顯示了測(cè)量結(jié)果。請(qǐng)注意，這些結(jié)果略好于數(shù)據(jù)表規(guī)范，因?yàn)?I QSD雙通道 TLV9042 的每通道比單通道 TLV9041 略低，單通道 TLV9041 的值在數(shù)據(jù)表中引用了更保守的值。
圖 3：TLV9042S I Q和 I QSD測(cè)量設(shè)置
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設(shè)備 |
電源電壓 (V+) |
每個(gè)通道的I Q |
I QSD每通道 |
|
TLV9042SIRUGR |
1.2V |
9.545 μA |
50.965 nA |
|
3.3V |
9.465 μA |
52.730 毫安 |
|
|
5.0 伏 |
9.445 μA |
53.335 毫安 |
表 1：TLV9042S 在關(guān)斷模式下測(cè)得的電流消耗
借助表 1 中的數(shù)據(jù)，我們現(xiàn)在可以估計(jì)使用 TLV9042S 器件的關(guān)斷功能可能為不同的低功耗應(yīng)用節(jié)省的功耗。根據(jù)低功耗應(yīng)用，例如光電二極管放大器或電池供電的煙霧探測(cè)器，不同的占空比將有助于在不犧牲系統(tǒng)功能的情況下最大限度地節(jié)省功耗。借助公式 1 和 2 以及表 1 中的數(shù)據(jù)，可以估算在使用 TLV9042S 的關(guān)斷功能而不是始終開(kāi)啟時(shí)在不同電源電壓電平下的功耗。請(qǐng)參見(jiàn)表 2 中的結(jié)果，我們可以在其中看到切換關(guān)斷引腳可以顯著節(jié)省功耗。
|
電源電壓 (V+) |
占空比 |
P平均消耗(μW) |
P平均節(jié)省(μW) |
|
1.2V |
80% |
9.175 |
2.279 |
|
1.2V |
10% |
1.200 |
10.254 |
|
1.2V |
1% |
0.175 |
11.279 |
|
1.2V |
0.1% |
0.073 |
11.381 |
|
3.3V |
1% |
0.485 |
30.750 |
|
5伏 |
1% |
0.736 |
46.489 |
表 2：TLV9042S 按占空比和電源電壓測(cè)量的功耗
結(jié)論
既然我已經(jīng)討論了使用具有關(guān)斷功能的低功耗運(yùn)算放大器的節(jié)能優(yōu)勢(shì)，那么在下一部分中，我將介紹低功耗運(yùn)算放大器應(yīng)用中最常見(jiàn)的挑戰(zhàn)之一：穩(wěn)定性。
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