運(yùn)算放大器輸出驅(qū)動(dòng)能力的方法分析

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　　在電路中選擇運(yùn)算放大器(運(yùn)放)來(lái)實(shí)現(xiàn)某一特定功能時(shí)，最具挑戰(zhàn)性的選擇標(biāo)準(zhǔn)之一是輸出電流或負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力。運(yùn)放的大多數(shù)性能參數(shù)通常都會(huì)在數(shù)據(jù)手冊(cè)、性能圖或應(yīng)用指南中明確地給出。設(shè)計(jì)者須根據(jù)輸出電流并同時(shí)參考運(yùn)放的其他各類(lèi)參數(shù)，以滿(mǎn)足數(shù)據(jù)手冊(cè)中所規(guī)定的產(chǎn)品性能。不同半導(dǎo)體制造商所提供的器件之間，甚至同一家制造商所提供的不同器件之間的輸出電流都存在很大區(qū)別，這使得運(yùn)放的設(shè)計(jì)和應(yīng)用變得更加復(fù)雜。本文將通過(guò)一些實(shí)例講解如何根據(jù)運(yùn)放的性能參數(shù)對(duì)所需進(jìn)行設(shè)計(jì)的電路的驅(qū)動(dòng)能力進(jìn)行評(píng)估，從而幫助設(shè)計(jì)者確保自己所選擇的產(chǎn)品，在所有情況下都具有足夠的負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力。

　　哪些因素影響驅(qū)動(dòng)能力

　　輸出驅(qū)動(dòng)能力是一系列內(nèi)部和外部設(shè)定值或條件的函數(shù)。輸出級(jí)的偏置電流、驅(qū)動(dòng)級(jí)、結(jié)構(gòu)和工藝都屬于內(nèi)部因素。一旦選擇了一種器件來(lái)實(shí)現(xiàn)某一特定的功能，設(shè)計(jì)者就無(wú)法再改變這些影響輸出驅(qū)動(dòng)能力的內(nèi)部條件。大多數(shù)低功耗運(yùn)放的輸出驅(qū)動(dòng)能力較差，其中一個(gè)原因就是它們的輸出級(jí)的偏置電流較小。另一方面，高速運(yùn)放通常具有較高的驅(qū)動(dòng)能力，可滿(mǎn)足高速電路的低阻要求。高速運(yùn)放通常具有較高的電源工作電流，這也會(huì)提高輸出驅(qū)動(dòng)能力。

　　傳統(tǒng)上，集成化PNP級(jí)比NPN晶體管的性能要差。在這樣的工藝下，PNP輸出晶體管與NPN相比，越低的β值，意味著輸出驅(qū)動(dòng)能力會(huì)不平衡。滿(mǎn)擺幅輸出的運(yùn)放通常會(huì)將晶體管的集電極作為輸出管腳，性能較差的PNP管會(huì)導(dǎo)致提供源電流(source current)的能力比提供阱電流(sink current)的能力差。對(duì)于非滿(mǎn)擺幅器件，情況恰好相反，由于大多數(shù)器件使用PNP晶體管的發(fā)射極輸出，大大地影響了阱電流特性，因此它們輸出阱電流的能力較差。而且，當(dāng)估計(jì)器件的輸出電流能力時(shí)，器件之間的性能波動(dòng)也應(yīng)考慮在內(nèi)。因此設(shè)計(jì)者在基于"典型的"數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)范選擇器件的同時(shí)，還必須考慮"限值"和"最小"規(guī)范，以確保所使用的每個(gè)器件在生產(chǎn)時(shí)都具有足夠的驅(qū)動(dòng)能力。

　　除上面所列的內(nèi)部因素之外，一些外部因素也會(huì)影響驅(qū)動(dòng)能力。其中一些能夠被控制，以?xún)?yōu)化輸出驅(qū)動(dòng)能力，而其余的就很難控制。下面列出了影響輸出驅(qū)動(dòng)能力的外部因素：相對(duì)于相應(yīng)電源電壓的輸出電壓余量(相對(duì)于電源電壓的差值);輸入過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓;總電源電壓;直流與交流耦合負(fù)載;結(jié)溫。

　　輸出驅(qū)動(dòng)能力通常以輸出短路電流的形式給出。此時(shí)，制造商指定當(dāng)輸出接地(在單電源供電的情況下為1/2電源電壓，稱(chēng)作"Vs/2")時(shí)所能提供的電流值。制造商可能會(huì)提供兩個(gè)數(shù)值，一個(gè)代表源電流(通常前面會(huì)有"+")，另一個(gè)代表阱電流(通常前面會(huì)有"-")。在負(fù)載上電壓擺幅很小的應(yīng)用中，輸出級(jí)驅(qū)動(dòng)器相對(duì)于電源電壓(源電流為V+，漏電流為V-)會(huì)有很大的電壓差，此時(shí)用戶(hù)能夠使用這一數(shù)據(jù)來(lái)有效地預(yù)測(cè)此運(yùn)放的性能。試想運(yùn)放帶一個(gè)很大負(fù)載并且該負(fù)載被一個(gè)接近地(或在單電源情況下為Vs/2)的電壓驅(qū)動(dòng)的情況。如果放大級(jí)的負(fù)載是逐步變化的，能向負(fù)載提供的電流將與運(yùn)放數(shù)據(jù)手冊(cè)中"輸出短路電流"所給出的電流值一致。一旦輸出開(kāi)始隨之改變，將發(fā)生兩個(gè)情況：運(yùn)放的輸出電壓余量減小;運(yùn)放的輸入過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓減小。

　　由于前一個(gè)原因所能提供的輸出電流將減小，這還與運(yùn)放的設(shè)計(jì)有關(guān)，如后者中所述，過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓的減小也會(huì)引起輸出電流的減小。

　　另一種更有用的確定電流能力的方法，是使用輸出電流和輸出電壓圖。圖1顯示了美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的LMH6642的輸出電流和輸出電壓圖。對(duì)于大多數(shù)器件，通常會(huì)對(duì)源電流(圖1a)和阱電流(圖1b)這兩種情況分別給出一張圖。

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　　圖1：LMH6642的輸出特征。

　　使用這種圖，就能夠估算出對(duì)于給定的輸出擺幅運(yùn)放所能提供的電流。這些圖由半導(dǎo)體制造商提供，用來(lái)顯示放大器的輸出電流能力與輸出電壓之間的關(guān)系。

　　請(qǐng)注意，在圖1中，描述了"來(lái)自V+的Vout"與輸出源電流的關(guān)系，以及"來(lái)自V-的Vout"與輸出阱電流的關(guān)系。用這種方法來(lái)表示數(shù)據(jù)的原因之一是，和輸出電壓相對(duì)于地的表示方法相比，它能被更容易地應(yīng)用于單電源或雙電源操作。另一個(gè)原因是由于電壓余量比總的電源電壓對(duì)于輸出電流的影響要大得多，因此對(duì)于任意的電源電壓，即使在數(shù)據(jù)手冊(cè)上找不到精確對(duì)應(yīng)的條件，這種數(shù)據(jù)手冊(cè)示方法也能使設(shè)計(jì)者通過(guò)一組最接近的曲線來(lái)進(jìn)行粗略的計(jì)算。

　　圖1能夠用來(lái)預(yù)測(cè)一個(gè)給定負(fù)載上的電壓擺幅。如果坐標(biāo)軸是線性的，設(shè)計(jì)者只需要在圖1的特征曲線上加上一條負(fù)載曲線，通過(guò)這兩條曲線的交點(diǎn)就能確定電壓擺幅。但如圖所示，很多情況下，尤其當(dāng)運(yùn)放是滿(mǎn)擺幅輸出時(shí)，兩條坐標(biāo)軸都使用對(duì)數(shù)坐標(biāo)，以使得在輸出電流很小、輸出只有幾毫伏的情況下，曲線也能有較好的分辨率。在對(duì)數(shù)坐標(biāo)下，負(fù)載曲線不再是一條簡(jiǎn)單的直線，將不容易畫(huà)出。那么如何才能預(yù)測(cè)一個(gè)給定負(fù)載的輸出擺幅呢?

　　如果設(shè)計(jì)師愿意花些時(shí)間在器件性能和外部電路要求之間反復(fù)進(jìn)行擺幅預(yù)測(cè)，會(huì)得到一個(gè)十分精確的結(jié)果。這里，我將利用一些實(shí)例說(shuō)明如何進(jìn)行這種預(yù)測(cè)。

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　　圖2：預(yù)測(cè)給定負(fù)載上的輸出電壓擺幅的實(shí)例。

　　考慮如圖2a的應(yīng)用，其中LMH6642被用來(lái)驅(qū)動(dòng)一個(gè)RL=100Ω并與Vs/2(1/2電源電壓)相連的負(fù)載。假設(shè)此情況下LMH6642的輸出被偏置在Vs/2或5V：

　　問(wèn)題是設(shè)計(jì)師能夠使用圖1中所示的LMH6642的數(shù)據(jù)來(lái)估計(jì)可能的最大輸出擺幅嗎?答案是肯定的。

　　為了估計(jì)擺幅，要?jiǎng)?chuàng)建一張表(表1)，它由輸出擺幅的初始猜測(cè)值開(kāi)始(第2列)，接著是對(duì)猜測(cè)值的一系列修正(比較第3列和第5列，結(jié)果由第6列顯示)。

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　　表1： 使用迭代來(lái)預(yù)測(cè)圖2a的輸出擺幅(LMH6642)。

　　重復(fù)這一過(guò)程，直至在所給的條件下，器件特性與負(fù)載要求一致，便在第2列的底部得到了最終的結(jié)果，這樣就完成了對(duì)擺幅的估算。因此，表1中的反復(fù)結(jié)果顯示，圖2a中的電路能在100Ω的負(fù)載上產(chǎn)生最高8.75V的電壓。轉(zhuǎn)換成峰峰值是7.5VPP{=(8.75-5)V x 2=7.5VPP}。

　　下面列出了表1中所使用方法的一些注意事項(xiàng)：對(duì)于圖2a中的電路，只能提供源電流。因此，只使用了圖1a。在每種情況下，在圖1中假設(shè)最差的溫度情況來(lái)計(jì)算第5列的數(shù)值。第5列中的數(shù)值是在圖1a中將第4列的值作為y軸，然后從圖中讀出的。第2列中的最終結(jié)果，也就是第4次迭代的值，還是一個(gè)近似解，因?yàn)榈?列(87.5mA)中的數(shù)值仍比第5列(90mA)低。但是，圖中的分辨率已經(jīng)不允許再對(duì)這個(gè)結(jié)果進(jìn)行細(xì)調(diào)。

　　現(xiàn)在我們對(duì)剛才討論的實(shí)例稍做變化，假設(shè)LMH6642的輸出負(fù)載不變，但信號(hào)經(jīng)過(guò)交流耦合的情況，如圖2b所示。預(yù)測(cè)輸出擺幅的方法與前面相同，只是由于交流耦合負(fù)載只能"看到"信號(hào)的擺幅，輸出電壓的直流分量(偏置)被交流耦合電容阻擋，因此表中的一些條目(第3列)需要被修改。此外，還要注意交流耦合負(fù)載需要LMH6642的輸出能接受和提供電流(與圖2a中只需要輸出提供電流的應(yīng)用不同)。因此，選擇源電流和漏電流特征中較小的一個(gè)數(shù)值，填入表2中的第5列。

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　　表2：使用迭代預(yù)測(cè)圖2b的輸出擺幅。

　　第2列中的最終結(jié)果(9.6V)對(duì)應(yīng)于交流耦合負(fù)載上9.2VPP{=(9.6-5)V*2=9.2Vpp}的輸出擺幅，像所預(yù)期的那樣，要比前面所討論的直流耦合負(fù)載的實(shí)例中的值(7.5VPP)大，原因是沒(méi)有直流負(fù)載。

　　使用這些可選的輸出能力圖估算擺幅的過(guò)程，與前面給出的實(shí)例十分相似，都是使用反復(fù)方式對(duì)初始的猜測(cè)值進(jìn)行細(xì)調(diào)。