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如今便攜式電子產品的功能都非常豐富，例如：手表可用作電視遙控器，手機同時還是數碼相機和計算器，MP3播放器還可用作收音機、存儲設備和電子相冊，PDA具有日歷、照相機、手機和游戲機功能。當我們將越來越多的功能集成在這些設備中的同時，也給電源帶來越來越大的負擔。 如今的電子設備一般采用鋰離子可充電電池供電。鋰離子可充電電池的充電速度很快，但能提供數小時的工作時間和幾周的待機時間。ADI公司已開發出新的電源管理和電池監測電路產品系列，主要用來有效管理電源以延長電池工作時間。電源管理和電池技術的進步有助于延長電池壽命，但它們僅起一部分作用，延長電池壽命的真正有效方法是提高目前半導體器件的效率，以更少的功耗支持更多的功能。如今，人們要求半導體器件的工作電壓更低、帶寬更高、開關速度更快、失真更小、功耗更低并支持更多字節的處理。 視頻功能正在成為當今許多便攜式電子產品的常見功能，例如個人媒體播放器和手機。然而，由于顯示屏的尺寸和分辨率的限制，多個人一起欣賞手持設備播放的圖像并不方便，所以它們要求具備視頻輸出功能，但這種新功能意味著要消耗更多的電池能量。這些設備的視頻輸出通常屬于輔助功能，因此在正常工作期間視頻驅動器通常處于關閉狀態。因此，在評估視頻放大器或視頻驅動器時，工作電流和待機電流都是關鍵的參數。 為更透徹地分析當今設計工程師所面臨的挑戰，這里介紹兩個設計案例。第一個例子討論MP3播放器視頻輸出部分的設計要求，其主要的設計考慮是工作電流和板面積。第二個例子是低功耗緩沖器的應用，待機電流是主要關注點。 圖1：具有分立重建濾波器的視頻輸出級。 具有視頻輸出的MP3播放器 這個設計在MP3播放器上增加了復合視頻輸出級電路。該電路必須提供2倍增益的低通濾波和最小6MHz的帶寬，工作電壓為3V，但靜態電流小于3mA，待機電流小于15μA，并且要求占板面積最小。成本總是需要考慮的因素，但在本文的設計案例中暫不考慮。 圖1為一個典型的視頻輸出級電路，其中視頻放大器和濾波器由視頻數模轉換器(DAC)和編碼器的輸出驅動，這里使用ADV7190或ADV7191。視頻放大器/濾波器利用運算放大器和分立元件構成一個雙極點Sallen-Key低通濾波器。運算放大器提供2倍增益以驅動75Ω的視頻負載。這種重構濾波器有助于消除視頻DAC采樣過程中產生的多重圖像。 每種放大器都為設計工程師提供了各自不同的優勢。ADA4850具有工作電流低、待機電流非常低(15nA)以及采用小型LFCSP封裝的優點。如此低的待機電流對容量低的電池的應用非常有用，下一個案例將對此進行討論。ADA4851的工作電流與ADA4850一樣，但電源電壓范圍更寬，待機電流大小適中。ADA4853的工作電流在表中列出的所有放大器中最低，待機電流也很低。對于低工作電流的應用來說，ADA4853是一個理想選擇。ADA4430是一種全集成濾波器和放大器解決方案，其工作電流和低待機電流都很低，并且無需外部元件。 支持便攜式設備視頻輸出的放大器和濾波器，這些器件適合低功耗應用。 雖然ADA48xx系列放大器具有優異的工作性能，但它們還需要額外的元件才能滿足本案例的設計要求。一種替代分立濾波器的解決方案是帶有增益單元的全集成濾波器ADA4430，用ADA4430替代分立解決方案可以簡化設計(圖2)。 圖2：具有ADA4430集成放大器和濾波器的視頻輸出級。 對于上述兩種解決方案，工程師必須在電路性能、電流消耗和尺寸方面進行折衷。ADA4853也是適合這種應用的一個很好選擇，且其功耗比ADA4430更低，但ADA4430只需較少的外部元件就可滿足所有的目標規范，因此它是此應用的一個更好選擇。 超低功耗緩沖器 這個應用適用于便攜式娛樂設備中采用的25MHz時鐘緩沖電路，其主要設計約束是待機電流。該應用采用的電源是容量僅為87毫安小時的鋅空氣電池，主要技術指標包括：待機電流小于0.1μA (分配給這部分電路的總待機電流僅為10μA)、占用面積小、工作電壓為3V、電源電流小于3mA、總電路面積為1cm2、帶寬為1MHz。 圖3：傳統上采用外部FET旁路晶體管來滿足待機電流小于0.1μA的要求。 傳統上采用一個外部場效應(FET)旁路晶體管來滿足待機電流小于0.1μA的要求(圖3)，但這會增加元件數量，并使板面積超過為該電路分配的板面積大小。利用ADG842這樣的模擬開關代替FET及其相關電路雖然可以簡化設計，但仍需要額外的板面積。 ADA4850能滿足該應用的所有系統要求，它讓設計工程師無需使用外部FET旁路晶體管及其外圍電路，從而能簡化布局并減小電路面積，以滿足1 cm2的板面積要求。 為滿足系統設計規范，設計工程師在選擇元件和電路結構時經常要面臨折衷，且必須權衡所有選擇。工作電流與待機電流之間的折衷、性能與價格之間的折衷，以及尺寸和設計的簡易性都是便攜式電子產品設計中常要考慮的問題。 隨著便攜式電子產品的尺寸不斷縮小，以及制造商不斷在這些產品中增加更多功能，半導體公司需要不斷開發出效率更高的器件，并提高每種芯片的集成度和功能性。技術的持續進步將使未來的設計工程師能夠設計出電路板面積更小、速度更快、電源電壓更低(電流更小)，并為終端用戶帶來更高價值的下一代便攜式電子產品。 |
