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如何使低功耗放大器在便携式产品中提高性能
作者:John Ardizzoni,美国ADI公司
摘自:电子工程专辑

自我年青时代使用7个晶体管的对讲机和AM收音机以来,我们已走过了很长的路。单一功能的设备已不能满足要求,现在便携式电子产品已兼具多种功能:手表可以当成电视摇控器;手机可以用做照相机和计算器;MP3播放器就是收音机、移动存储器设备和相册;PDA同时也是日历、相机、手机和手持游戏机;还有好些新功能,不胜枚举。我们已处在这样一个时代:我们很难想起这些设备的主要功能究竟是什么。由于我们向便携式电子设备中添加了越来越多的功能,也对这些设备的电源增加了更多的负担。

即便是在那些AA、AAA和9V电池盛行的日子里,我们也不想拖着个车用电池来为所有这些附加功能提供电源。目前,电子器件首选电池是锂离子充电电池,这种电池充电时间短,并可使用数小时,待机时间也多达几周。电源管理和电池监控电路技术孕育了一种新的产品家族,其唯一目的是有效地管理电源以延长工作时间。电源管理及电池技术的进步已对电池寿命的延长有所帮助,但这只是我们要说明的一个部分。真正的意图是使集成电路(IC)做到更有效、体积更小的同时具有更强大的功能。当今的IC要求低电压运行、提供更大带宽、更快转换时间、更多字节数和较少失真,并用比上一代IC使用的还要少的电流来实现所有这些要求。

如今,视频功能正成为了众多便携式设备的普通功能,像个人媒体播放器和手机。在与大的团体分享图片时,手持设备的体积和分辨率的局限性也显露出来,然而,视频输出的需求也由此产生。但是,这种新特色的出现会从另一方面使电池耗尽。此外,这种设备的视频输出通常是辅助功能,在正常使用时视频驱动器通常处理关闭状态。因此设计附加视频电路时,工作电流和低功耗电流这两个关键参数均成为有待解决的问题。

要更为深入地考察当今工程师在待机、工作和静态电流上面临的挑战,有两个设计例子要在此作介绍。在第一个例子中,MP3播放器视频输出部分的设计要求已进行了计论;在该例子中,设计考虑的主要因素是工作电流和电路板面积。第二种例子中,主要考虑待机电流的同时,解决超低功耗缓冲器应用的问题。

具有视频输出功能的MP3播放器
该设计中,要在MP3播放器增加一个复合视频输出级。该电路必须提供一个具有6MHz截止频率、增益为+2的低通滤波,并工作在3-V电源条件下,所消耗的静态电流小于3mA、待机电流小于15μA,能够驱动150Ω负荷并占据最小电路板。成本始终是考虑因素,但在这些设计例子中暂忽略不计。

图1显示了一个具有离散有源滤波输出级的典型视频数模转换器(DAC)/编码器。有源滤波电路通常被视为一种“重建滤波器”。这种重建滤波器有助于消除在视频DAC采样过程中产生的多重图像。这种滤波器利用一个运算放大器和多个分立元件来构成一个具有增益的2极点的Sallen-Key低通滤波器,用于驱动75Ω的视频负载。

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                 图1:具有离散重建滤波器的视频DAC
根据以上设计规范,视频运算放大器如ADI公司的ADA4853-1就是一个不错的选择。当ADA4853放大器符合电气规范时,还需要额外的元件以符合该例子的整体设计要求。对分立元件滤波器的一个替代方案是完全集成滤波器。采用集成方案会占用较少空间、更为稳定并缩短设计时间,在大多数情况下,不失为一个富有成效的解决方案。当采用集成方案时,可达到的简化效果见图2。
         [imga]../../upload/2006/11/06/114734.jpg[/imga]
            图2:具有ADA4430集成放大器和滤波器的视频DAC
给定两种选择方案,工程师要对两种方案的电路性能、电流消耗和体积(如前所述,成本始终是一个考虑因素)予以权衡。视频运算放大器对于该应用也是一个极佳的选择,并且较之于如ADI公司的ADA4430这样的集成视频滤波器,是一种具有更低功耗的方案。然而,视频滤波器具有较高的供应电流,但仍符合所有的目标规范,且只需要较少元件,使该方案成为该应用的较佳选择。

超低功耗缓冲器

该应用针对便携式娱乐设备中的25MHz时钟缓冲器电路。该方案中的主要设计难题在于待机电流。这种应用的电源是仅能供应87mAhr的锌空气电池。其主要规格是:小于0.1μA的待机电流(分配到电路该部分的整个待机电流仅10μA)、小占位面积、3V工作电压、小于3mA电源电流、整个电路面积为1cm2和带宽为100MHz。

传统意义上,采用一个外置FET导通三极管即可满足小于0.1μA的待机电流要求,如图3所示。但是,这会增加元件并大大占用分配到该电路的宝贵的电路板面积。在FET及相关电路中采用储如ADG842这样的模拟开关会简化设计,但仍需要额外的电路板空间。
          [imga]../../upload/2006/11/06/114812.jpg[/imga]
                       图3:关断电路。
 
该应用的一个理想方案是高速电压反馈,像ADI公司的ADA4850这样的轨至轨输出运算放大器。这种器件使设计工程师无须考虑外置FET和周围电路,简化了布局,减少了电路面积从而满足1cm2的电路板分配面积的要求。

在选择元件及电路结构以符合系统设计规范时,设计工程师要不断地面临折衷且必须对所有系统设计规范进行权衡。在便携式电子的设计竞赛中,工程师要具备针对待机电流的要求对工作电流进行折衷的能力,反之亦然;与此同时,要不断考虑价格、电路板面积和简化设计的要求来提高性能。

随着便携式电子产品体积的压缩及制造商们对这些设备不断增添新的功能,半导体公司将需要深化其开发努力以提供更高效的元件,并增加每一块芯片的集成水平和功能特性。这种不断的发展将使未来的设计工程师使用较少电路板面积、较高的速度、在较低电源电流/电压上运行,并能为下一代便携式电子产品的终端客户提供更高的价值。

作者简介
John Ardizzoni是ADI公司高速放大器组的应用工程师,John于1988年毕业于美国马力马克学院并取得电子工程学学士学位,2002加入该公司。
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