運(yùn)算放大器的“最大電源電流” 規(guī)格

內(nèi)容提要

對(duì)于大多數(shù)IC(集成電路)，數(shù)據(jù)手冊(cè)上都會(huì)列出最大電源電流，但人們常常對(duì)其測(cè)量條件視而不見(jiàn)。對(duì)于某些軌到軌輸出運(yùn)算放大器，某些操作可能會(huì)導(dǎo)致電源電流比規(guī)定的最大值高出2到10倍。
本文探討在確定最大電源電流時(shí)，需要考慮哪些方面；本文的討論對(duì)雙極性和CMOS運(yùn)算放大器均適用。

幾乎所有IC的數(shù)據(jù)手冊(cè)都會(huì)提供保證的最大電源電流值，但該值并不能夠用來(lái)計(jì)算最差情況的功耗。眾所周知，CMOS數(shù)字器件的電源電流隨著時(shí)鐘頻率的提高而提高，但模擬器件，特別是運(yùn)算放大器會(huì)如何呢？可以使用電源電流加上供應(yīng)給負(fù)載的電流作為最大值嗎？(提示：并不盡然......)運(yùn)算放大器以閉環(huán)形式工作，而比較器則以開(kāi)環(huán)形式工作。雖然這一原則十分簡(jiǎn)單并且顯而易見(jiàn)，但我們很少思考違反原則會(huì)帶來(lái)什么后果。常見(jiàn)的問(wèn)題是將運(yùn)算放大器用作比較器，因?yàn)樵S多運(yùn)算放大器的失調(diào)和噪聲均非常低。當(dāng)運(yùn)算放大器采用±15 V電源供電，并且輸入信號(hào)在±10 V范圍內(nèi)時(shí)，將其用作比較器有時(shí)是可行的，特別是如果增加一些正遲滯來(lái)避免振蕩并加快不確定區(qū)域的過(guò)渡。但隨著軌到軌輸出運(yùn)算放大器的出現(xiàn)，問(wèn)題開(kāi)始變得嚴(yán)重。參考文獻(xiàn)(1)對(duì)輸入和輸出級(jí)做了很好的闡釋。

歷史回顧

在數(shù)字世界，NAND門(mén)、NOR門(mén)等的MIL/ANSI符號(hào)截然不同。但在模擬世界，不知是何原因，運(yùn)算放大器和比較器均顯示為一個(gè)帶兩路輸入和一路輸出的三角形，“這種表示方法影響深遠(yuǎn)”(2)。運(yùn)算放大器用作比較器已有很長(zhǎng)時(shí)間，關(guān)于比較器和用作比較器的運(yùn)算放大器，已有許多論文做過(guò)探討。早在1967年，當(dāng)推出LM101A時(shí)，其數(shù)據(jù)手冊(cè)顯示的應(yīng)用電路中就是用作比較器。指南MT-083 (3)對(duì)
比較器進(jìn)行了比較全面的綜述，包括放大器的性能指標(biāo)和為何需要遲滯，但并未討論將運(yùn)算放大器用作比較器的情況。

Sylvan (4)討論了運(yùn)算放大器用作比較器時(shí)的一般考慮因素，但并未特別討論軌到軌輸出運(yùn)算放大器。他確實(shí)提醒過(guò)大家應(yīng)當(dāng)注意輸入相對(duì)于共模輸入電壓的差異，并涉及到差模電壓的差別。Bryant (5)開(kāi)宗明義：“然而，關(guān)于將運(yùn)算放大器用作比較器的最佳建議非常簡(jiǎn)單——不要這樣做！”，然后說(shuō)明了多個(gè)需要考慮的問(wèn)題，最后總結(jié)道：在某些應(yīng)用中，這可能是一個(gè)正確的設(shè)計(jì)決策。Kester (6)同樣反對(duì)將運(yùn)算放大器用作比較器，但也勉強(qiáng)承認(rèn)，有些情況下這可能行得通。Moghimi (7)討論了運(yùn)算放大器與比較器的區(qū)別，警告說(shuō)“魔鬼就藏在細(xì)節(jié)中”，并且非常清楚地解釋了輸入保護(hù)二極管、反相和運(yùn)放的多個(gè)其它特性，但他認(rèn)為，小心處理這些細(xì)節(jié)還是可以有效地解決問(wèn)題。他確實(shí)簡(jiǎn)要提及了軌到軌輸出運(yùn)算放大器，但未談到電源電流。

圖1. 經(jīng)典雙極性輸出級(jí)

隨著電源電壓減小，用來(lái)保持較大電壓擺幅的方法之一是將傳統(tǒng)輸出級(jí)變?yōu)椤败壍杰墶陛敵黾?jí)。圖1所示為一個(gè)經(jīng)典輸出級(jí)，可以稱(chēng)之為非軌到軌輸出級(jí)，其輸出只能達(dá)到正電源的1 V范圍內(nèi)。為了更接近供電軌，輸出級(jí)晶體管變?yōu)楣舶l(fā)射極配置，如圖2所示。

圖2. 雙極性軌到軌輸出

隨著電源電壓減小，用來(lái)保持較大電壓擺幅的方法之一是將傳統(tǒng)輸出級(jí)變?yōu)椤败壍杰墶陛敵黾?jí)。圖1所示為一個(gè)經(jīng)典輸出級(jí)，可以稱(chēng)之為非軌到軌輸出級(jí)，其輸出只能達(dá)到正電源的1 V范圍內(nèi)。

為了更接近供電軌，輸出級(jí)晶體管變?yōu)楣舶l(fā)射極配置，如圖2所示?！败壍杰墶陛敵霾⒎钦嬲摹败壍杰墶?，但是可以達(dá)到距電源電壓50 mV至100 mV范圍內(nèi)，具體取決于輸出晶體管的大小和負(fù)載電流。

比較這兩個(gè)輸出級(jí)，有三點(diǎn)值得特別注意：第一，傳統(tǒng)輸出級(jí)具有電流增益、小于1的電壓增益和非常低的輸出阻抗。第二，軌到軌輸出級(jí)是共發(fā)射極輸出級(jí)，因而具有電壓增益，約為gm × RL。RL由外部負(fù)載和晶體管的輸出阻抗(RO)組成。當(dāng)輸出與供電軌相差數(shù)百毫伏以上時(shí)，RO非常大，通?？梢院雎圆挥?jì)，但如果輸出接近供電軌，則不能忽略。第三，可以將輸出看作傳統(tǒng)的雙晶體管比例式電流鏡，這是問(wèn)題的癥結(jié)所在。