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平衡增益带宽积与静态电流以优化功耗

上网日期: 2011年12月28日 ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:运算放大器? 电源供电系统? 静态电流?

尽管概念很简单,但事实上,运算放大器(运放)的实现是一种涉及参数复杂电路的实践,在选用IC的过程中往往会遇到很多挑战。

许多熟悉的电源供电系统设计,包括以数字电路为主的功率预算,其中模拟子系统的功耗仅占总功耗的一小部分。在这种情况下,选择运放时的首要任务可能是一种或几种与信号链相关的性能参数。它们可能包括AC性能指标,如失真和宽带噪声性能;或DC指标,如输入失调和失调漂移。

但在功耗要求苛刻的应用中,我们很自然会从选用具有最低静态电流的运放着手。尽管这种做法可找出众多满足功耗要求的候选器件,但它们不一定能满足对增益带宽积(GBWP)的需求。

对一个给定的电路拓扑结构来说,GBWP和Iq(静态电流)形影不离——它们基本上成正比。有若干原因导致这一关联,且与放大器的具体拓扑结构相关。

不过,在顶层需要考虑到,所选的运放一定是以信号速度对内部容抗进行充放电的。由此产生的来自放大器内部偏置电路的位移电流就决定了Iq净值。因此,对一个给定的拓扑来说,带宽的增加必定导致运放Iq的增加。

一种有用的品质度量指标

低功耗设计的挑战不仅仅是简单地找到低功耗运放,而是要找到能最有效提供带宽的那些运放。GBWP与Iq之比就是一种评估运放带宽效率的指标。

例如,对四款具有类似架构的Microchip 运放(MCP644X、MCP640X、MCP628X和MCP629X)的性能比较和指标计算显示,其指标(GBWP/Iq)相差不到一倍,而单就 GBWP和Iq来看,则分别相差三个数量级以上(表1)。事实上,在较低带宽情况下,这些器件的品质指标几乎是恒定的。

当然在实际选择运放时,我们通常会重点比较具有类似GBWP的器件,而不会是一组横跨几个数量级的器件。不过,首先必须确定一个关键指标。

电源系统

表1:微芯科技四款运放的带宽效率“品质因数”比较

GBWP:多少才算够用?

GBWP 是放大器的一种开环增益表述,它是频率的函数。几乎所有运放数据表中都有的运放的Bode(波德)图,同时提供了开环和相位响应与频率的关系图,它是快速评估一款放大器是否有可能适合你应用的一个方便的图形化工具。在此,我们只关注AOL——波德图(图1a)中的开环增益部分。

电源系统

图1a: MCP644X运放的开环增益AOL,其增益带宽积(GBWP)为 9,000Hz。

请注意,水平的开环直流增益只在非常低的频率内呈现——即在放大器的主极点以 20dB/dec的速率开始降离 AOL曲线之前。对该运放的大部分带宽来说,频率每增加10倍, AOL就下降10倍。在曲线这一部分任一点上的增益和频率之积是一个常数,那就是我们所说的GBWP。

正如所料,曲线以相当于GBWP的频率穿越0dB点,这是为什么在许多参考中也将此量值称为单位增益带宽的原因。在现实中,当f接近GBWP时, AOL通常会偏离曲线(20dB/dec)一点点。而相位也不是90度,因此,单位增益带宽不等于GBWP。


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