運算放大器的“最大電源電流” 規(guī)格 - 全文

內(nèi)容提要

對于大多數(shù)IC(集成電路)，數(shù)據(jù)手冊上都會列出最大電源電流，但人們常常對其測量條件視而不見。對于某些軌到軌輸出運算放大器，某些操作可能會導(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，需要考慮哪些方面；本文的討論對雙極性和CMOS運算放大器均適用。

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

歷史回顧

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

Sylvan (4)討論了運算放大器用作比較器時的一般考慮因素，但并未特別討論軌到軌輸出運算放大器。他確實提醒過大家應(yīng)當注意輸入相對于共模輸入電壓的差異，并涉及到差模電壓的差別。Bryant (5)開宗明義：“然而，關(guān)于將運算放大器用作比較器的最佳建議非常簡單——不要這樣做！”，然后說明了多個需要考慮的問題，最后總結(jié)道：在某些應(yīng)用中，這可能是一個正確的設(shè)計決策。Kester (6)同樣反對將運算放大器用作比較器，但也勉強承認，有些情況下這可能行得通。Moghimi (7)討論了運算放大器與比較器的區(qū)別，警告說“魔鬼就藏在細節(jié)中”，并且非常清楚地解釋了輸入保護二極管、反相和運放的多個其它特性，但他認為，小心處理這些細節(jié)還是可以有效地解決問題。他確實簡要提及了軌到軌輸出運算放大器，但未談到電源電流。

圖1. 經(jīng)典雙極性輸出級

隨著電源電壓減小，用來保持較大電壓擺幅的方法之一是將傳統(tǒng)輸出級變?yōu)椤败壍杰墶陛敵黾?。圖1所示為一個經(jīng)典輸出級，可以稱之為非軌到軌輸出級，其輸出只能達到正電源的1 V范圍內(nèi)。為了更接近供電軌，輸出級晶體管變?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，用來保持較大電壓擺幅的方法之一是將傳統(tǒng)輸出級變?yōu)椤败壍杰墶陛敵黾?。圖1所示為一個經(jīng)典輸出級，可以稱之為非軌到軌輸出級，其輸出只能達到正電源的1 V范圍內(nèi)。

為了更接近供電軌，輸出級晶體管變?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載電流。

比較這兩個輸出級，有三點值得特別注意：第一，傳統(tǒng)輸出級具有電流增益、小于1的電壓增益和非常低的輸出阻抗。第二，軌到軌輸出級是共發(fā)射極輸出級，因而具有電壓增益，約為gm × RL。RL由外部負載和晶體管的輸出阻抗(RO)組成。當輸出與供電軌相差數(shù)百毫伏以上時，RO非常大，通?？梢院雎圆挥嫞绻敵鼋咏╇娷?，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，這是問題的癥結(jié)所在。

在正常工作中，中間級會拉低基極-集電極節(jié)點，將更多電流驅(qū)動到負載，從而提高電壓。在負反饋下，隨著輸出電壓升高，輸入級和中間級將降低驅(qū)動電流，直到閉環(huán)平衡。當用作比較器時，中間級會拉低基極-集電極節(jié)點，試圖封閉環(huán)路，但由于沒有反饋，它將越拉越厲害。這一額外電流找到一條路徑從正電源引腳流到負電源引腳，以額外電源電流的形式出現(xiàn)。驅(qū)動輸出級的方法有多種，而且空穴和電子的遷移率存在差異，因此電源電流的提高通常不對稱。

為了量化這一效應(yīng)，筆者從ADI公司及三家主要模擬器件競爭廠商各獲得了一個雙極性運算放大器和一個CMOS運算放大器。為了進行比較，試驗中還包括歷史悠久的雙通道運算放大器LM358(非軌到軌輸出)和雙通道比較器LM393。使用三個電路，測量與電源電壓呈函數(shù)關(guān)系的電源電流。圖3顯示了用于測量電源電流的經(jīng)典方法。電流表按圖示進行連接，以便剔除阻性分壓器的電源電流。

使用兩塊電流表，以便確認電源電流是準確的，并且不包括通過輸入引腳的任何無關(guān)電流路徑。

電阻值無關(guān)緊要，所選值只需確保運算放大器的輸入在數(shù)據(jù)手冊技術(shù)規(guī)格表規(guī)定的輸入電壓范圍(IVR)內(nèi)。要測量開環(huán)下的電源電流，例如作為比較器工作時，參見圖4和圖5所示。某些低噪聲雙極性運放的輸入端之間具有二極管，用以保護差分輸入對，因此“絕對最大額定值”表中規(guī)定的最大差分電壓通常是±0.7 V。如果有內(nèi)部串聯(lián)電阻，其值通常在500 Ω到2 kΩ范圍內(nèi)?！敖^對最大額定值”表可能將最大差分電壓規(guī)定為正負電源電壓，但這并不意味著器件能夠在這種條件下工作。應(yīng)當參考器件的簡化內(nèi)部原理圖，如果沒有提供，可以詢問制造商。在這兩種配置中，電阻值的選擇比前一種情況略顯重要。電阻值應(yīng)足夠低，使得差分輸入電壓至少為0.5 V，以保證輸出被盡力驅(qū)動到供電軌，同時應(yīng)足夠高，不至于損壞內(nèi)部二極管。所選值應(yīng)將輸入電流限制在1 mA以下。

表1列出了以下內(nèi)容：數(shù)據(jù)手冊的最大電源電流規(guī)格；在以下條件下測得的電源電流：運算放大器連接為跟隨器，VIN為兩個電源引腳電壓的中間電壓(圖3)；輸出驅(qū)動到低電平時的電源電流(圖4)；輸出驅(qū)動到高電平時的電源電流(圖5)。

傳統(tǒng)運算放大器和比較器

表1顯示，傳統(tǒng)器件LM358和LM393的表現(xiàn)一如預(yù)期。雙極性軌到軌運算放大器所有雙極性軌到軌輸出運算放大器的電源電流都大于一個或兩個比較器電路中的“最大”運放電源電流。驅(qū)動輸出級的方法有多種，將輸出驅(qū)動到一個或另一個供電軌時，某些方法會導(dǎo)致電源電流升高。由于不熟悉其它制造商產(chǎn)品的內(nèi)部原理圖，無法評論該現(xiàn)象。對于OP284，數(shù)據(jù)手冊給出了第二級和輸出級的原理示意圖。參見圖6。

如果VOUT被Q5/Q3/Q4驅(qū)動到高電平，電源電流將是R4和R6值的函數(shù)。這些值的選擇意圖是最大程度地提高運放性能并減小芯片面積，而不是為比較器考慮。當VOUT被Q6/R1/Q1驅(qū)動到低電平時，電源電流將由R1決定。同樣，R1、I1等元件的值是針對運放性能來選擇，而不是針對比較器性能。

CMOS軌到軌運算放大器

CMOS運算放大器有一個值得注意的行為。某些情況下，當驅(qū)動到供電軌時，電源電流實際上會下降。CMOS運算放大器的輸出級由共源極PMOS和NMOS晶體管組成，增益在輸出級中獲得。增益為gm × RL，為了獲得合理的跨導(dǎo)值，驅(qū)動電路將靜態(tài)電流設(shè)置為某個值。當輸出被驅(qū)動到供電軌時，驅(qū)動電路會降低互補晶體管上的驅(qū)動電流。根據(jù)上方晶體管到下方晶體管的傳遞特性，電流實際上會減小。注意，所選四個CMOS運算放大器的行為存在很大差異。

最后，為了減小芯片尺寸，降低成本，兩個運算放大器可能會共享某些電路，如偏置電路和相關(guān)的動電路等。正如前面所說的(8)，如果一個運算放大器超出正常工作范圍，引起偏置電路失靈，則另一個運算放大器也會失靈。在電池供電的系統(tǒng)中，或者使用低電流串聯(lián)穩(wěn)壓器時，應(yīng)當考慮額外電源電流。電池使用壽命可能比計算結(jié)果短，穩(wěn)壓器可能無法在所有條件下啟動，特別是在不同溫度下。

提示

對于新設(shè)計，最簡單的解決辦法是“不要將運算放大器用作比較器”。如果必須或無意中將運算放大器用作比較器，那么：

? 檢查數(shù)據(jù)手冊，看制造商是否提供了有關(guān)用作比較器的信息。某些制造商會提供此信息(9、10)。
? 如果沒有相關(guān)信息，詢問制造商是否可以提供。
? 如果制造商無法提供，請使用多個日期代碼的產(chǎn)品來對上述電路自行測量，增加50%的安全系數(shù)。

總結(jié)

當用作比較器時，軌到軌輸出運算放大器具有一些獨特的表現(xiàn)。需要比較器功能時，延長電池壽命和提高性能的最佳辦法是使用低成本比較器，將任何已用的運算放大器鏈接為跟隨器并使同向輸入端等于運放輸入電壓范圍內(nèi)的某一穩(wěn)定電壓，或者使用單通道和雙通道產(chǎn)品代替四通道產(chǎn)品。電源電流可能會大大超過數(shù)據(jù)手冊規(guī)定的“最大值”。在精心考慮的條件下，未使用的運算放大器可以用作比較器，但適當?shù)鼗旌鲜褂眠\算放大器和比較器可以降低電源電流，并獲得明確定義的性能。

作者簡介

Harry Holt是ADI公司(美國加利福尼亞州圣何塞)精密放大器部門的應(yīng)用工程師，已在ADI任職四年。之前他曾在美國國家半導(dǎo)體公司工作了27年，從事各種產(chǎn)品的現(xiàn)場和工廠應(yīng)用，包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、運算放大器、基準源、音頻編解碼器和FPGA。他擁有圣何塞州立大學(xué)的電氣工程學(xué)士學(xué)位(BSEE)，并且是國家工程榮譽協(xié)會(Tau Beta Pi)終身會員和IEEE的高級會員。