如何測量輸出參數(shù) - 運算放大器輸出驅(qū)動能力的方法分析

　　運放數(shù)據(jù)手冊中的輸出參數(shù)通常用一些根據(jù)合理數(shù)量的單位計算出的圖來表示。數(shù)據(jù)手冊中的圖可以說是屬于"線性"工作區(qū)，因為它們顯示的是閉環(huán)工作條件下的典型特征。當(dāng)然，大多數(shù)運放是在閉環(huán)條件下工作的，但是在某些特定的應(yīng)用中，也需要在開環(huán)條件下工作。這意味著運放不能像通常那樣，保持輸入端之間的電壓差為0。這是由于快速的輸入變化要求運放的輸出在很短的時間內(nèi)改變。這就是說，環(huán)路是開放的，同時輸出向最終值變化，在這段時間內(nèi)，輸入端之間會有一個很大的電壓差。一旦達到最終的輸出值，輸入電壓差又會再次減小到非常接近于0V(即輸出電壓除以運放很大的開環(huán)增益)。

　　像前面所解釋的那樣，一些運放由于架構(gòu)的原因，在"開環(huán)"條件下能明顯地提供更高的電流。但是在被用來在一個負載上維持一定量的電壓擺幅這樣的穩(wěn)定正常的閉環(huán)條件下，輸出電流能力必須在很小的輸入過驅(qū)動電壓條件下被確定。輸入過驅(qū)動電壓要大于運放輸入級的輸入失調(diào)電壓，但不能太大，否則會影響電流能力。

　　為了得到輸出特征圖，制造商會使用開環(huán)或閉環(huán)結(jié)構(gòu)進行測量。只要遵循輸入過驅(qū)動電壓的要求，得到的結(jié)果是相同的。如圖3a所示，在測量開環(huán)輸出電流時，待測器件(DUT)的輸出連接一個可變的電流源(或電流沉)發(fā)生器(Go)，并由雙電源供電。

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　　圖3：測量輸出特征。

　　只需在輸入端施加足夠的差分電壓，來克服輸入失調(diào)電壓并"產(chǎn)生"輸出(對于源電流能力的測試，朝向正電源;對于輸出阱電流的測試，朝向負電源)。此電壓被稱作"輸入過驅(qū)動電壓"(VID)。大多數(shù)運放需要大約20mV左右的輸入過驅(qū)動電壓來達到完全電流輸出能力。為了支持較小的輸出失真，在指定輸出電流時，輸入過驅(qū)動電壓應(yīng)小于+/-20mV。在這些條件下，輸出電流源(電流阱)發(fā)生器可以在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)進行掃描，并且記錄每個掃描點的輸出電壓。將輸出電壓(直接給出或是與之對應(yīng)的電源電壓之間的關(guān)系)與對應(yīng)的發(fā)生器的輸出電流畫在圖上，就得到了輸出特征圖。如果允許電流源(電流阱)發(fā)生器提供一個足夠大的電流，最終得到的點的輸出電壓會精確地等于V+和V-之和的1/2(在電源對稱的系統(tǒng)中就是地)。這一點對應(yīng)的電流值就是數(shù)據(jù)手冊上的"輸出短路電流"，大多數(shù)運放的數(shù)據(jù)手冊中通常會提供這個數(shù)值。如圖1所示，輸出短路電流大約為100mA，與之相對應(yīng)的縱軸坐標為5V(對于+/-5V的電源)。

　　圖3b中的設(shè)置與圖3a中的相似，也能被用來測量輸出特征。兩種設(shè)置的差別在于，在圖3b的電路中，DUT的環(huán)路通過RF和RG閉合。為了測量一個給定VOUT下的輸出電流能力，需要設(shè)置適當(dāng)?shù)腣IN來得到所需的VOUT。Go會一直增大直到達到所需的輸入過驅(qū)動電壓(VID)(通常小于+/-20mV，并大于輸入失調(diào)電壓，其值可以通過VOUT的下降(ΔVOUT)測得)。RF和RG的數(shù)值已知情況下，輸入過驅(qū)動電壓(VID)與VOUT下降之間的關(guān)系為：

　　VID= ( VOUT/(1+RF/RG)，其中( VOUT是由于Go增大所引起的VOUT的變化

　　例如，當(dāng)RF=10K、RG=1K時，如果Vin =-0.3V，則輸出將為3V。所需的20mV的輸入過驅(qū)動電壓對應(yīng)于由Go的電流變化所引起的輸出電壓220mV{=20mV * (1+10)= 220mV}的改變，或VOUT= 2.78V。

　　值得注意的是，一些專門為低功耗應(yīng)用所設(shè)計的高壓擺率的電壓反饋運放，在前端使用了"壓擺率增強"電路。這樣能使運放節(jié)省功耗，并產(chǎn)生高速的大信號輸出擺幅(換句話說就是高壓擺率)。例如美國國家半導(dǎo)體公司的兩款高速運放LM7171和LMH6657。為了達到上述目的，大輸入擺幅增加了向內(nèi)部補償節(jié)點的電容所提供的電流，這一電容通常是用來限制運放壓擺率的。因此，這一類器件的壓擺率與輸入過驅(qū)動電壓相關(guān)。

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　　圖4：LMH6657的壓擺率與輸入過驅(qū)動電壓的關(guān)系反映出壓擺率的增強。

　　圖4是LMH6657數(shù)據(jù)手冊中所給出的壓擺率與輸入過驅(qū)動電壓的函數(shù)關(guān)系。

　　因此，在輸入過驅(qū)動電壓和輸出壓擺率較大的情況下，這類器件的輸出電流能力也得到了提高。

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　　圖5：兩個不同的輸入過驅(qū)動電壓下，LMH6657的輸出提供電流特征。

　　圖5顯示了在兩個不同的輸入過驅(qū)動電壓下，LMH6657的輸出提供電流能力(IOUT)與輸出電壓之間的關(guān)系，從中可以看出，較大的輸入過驅(qū)動電壓增大了輸出電流(圖中表現(xiàn)為對于相同的IOUT，輸出電壓到電源電壓的余量要小)。這里沒有給出接受電流特征，但結(jié)果是相似的。

　　與常規(guī)的電壓反饋運放相比，更需要確保這類器件的輸出特征被正確地理解。通過增大輸入過驅(qū)動電壓能夠得到額外的輸出驅(qū)動能力。但是，當(dāng)進行像在負載上維持一個穩(wěn)態(tài)擺幅這樣的失真很小的閉環(huán)工作時，卻需要很小的輸入過驅(qū)動電壓(前面已經(jīng)提到過<+/-20mV)。在輸入過驅(qū)動電壓很大的條件下指定的輸出能力只能用于瞬態(tài)行為，此時輸出尚未達到最終值，一旦輸出達到最終值，輸入過驅(qū)動電壓就會下降到20mV以下。因此，當(dāng)在穩(wěn)態(tài)輸出電流而不是瞬態(tài)行為十分重要的應(yīng)用中，評估這類器件的性能時，需要注意輸入過驅(qū)動條件。

　　電流反饋(CFB)運放的輸出特征的測量方法與上面所給出的方法十分相似。圖6顯示了進行這一測量時所使用的設(shè)置。

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　　圖6：測量CFB運放的輸出特征。

　　CFB的結(jié)構(gòu)是由一個位于正向和反向輸入端之間增益為1的緩存器構(gòu)成的，電阻RG使得電流能夠流過反向端口。設(shè)置VIN的值大于輸入失調(diào)電壓，電流就會從反向輸入端口流出，并且輸出會向正電源電壓V+增長(即會盡可能地靠近V+)。像前面所解釋的電壓反饋(VFB)運放的情況一樣，電流發(fā)生器Go會對一系列適合DUT的電流值進行掃描，得到輸出提供電流能力與輸出電壓之間的關(guān)系。通過顛倒VIN的極性并將Go設(shè)置成向DUT的輸出管腳提供電流，就能夠確定接受電流能力。注意，對于CFB結(jié)構(gòu)，輸入過驅(qū)動電壓對于輸出特征的影響比VFB結(jié)構(gòu)要小。

　　輸出能力和運放的宏模型：

　　美國國家半導(dǎo)體公司向用戶提供的Pspice宏模型，能夠很好地預(yù)測運放的許多參數(shù)，輸出特征是其中之一。對于我們一直在討論的LMH6642，圖7給出了由美國國家半導(dǎo)體公司的Pspice模型所預(yù)測的輸出特征。

　　在建立Pspice宏模型時，我們力圖使圖7中所示的模型曲線與圖1中所示的典型的器件特性相符合。但是，仔細觀察就會發(fā)現(xiàn)，圖7中的曲線與圖1中的典型特征曲線相比還是過于理想化。對于我們努力想要建模的參數(shù)來說，Pspice宏模型只能提供"有限的"精度。此外，通常而言，Pspice的輸出電流模型，沒有包括內(nèi)置壓擺率增強特性的器件中過度的輸入過驅(qū)動電壓會增強輸出驅(qū)動能力的效應(yīng)。

　　只要運放的宏模型中包括了這一行為，使用Pspice模擬能夠直接快速地估計出一系列電阻負載上的輸出電壓擺幅(而不是像圖7中顯示的輸出能力)。當(dāng)LMH6642工作于圖1A所示的電路條件下，附錄B中所示的Pspice仿真文件是一種得到一系列電阻負載上的最大輸出擺幅的可行方法(電阻范圍為60~100歐姆，步長為10歐姆)。圖8顯示了Pspice所產(chǎn)生的結(jié)果圖。

　　從這幅圖中，設(shè)計者能夠直接讀取所指定的不同負載的輸出電壓擺幅，并畫出如圖9所示的擺幅與負載的關(guān)系圖。對于一個100歐姆的負載，將Pspice所預(yù)測的9.48V的擺幅(如圖9所示)與前面的迭代分析所預(yù)測的8.75V(如表1所示)的擺幅進行比較。當(dāng)將Pspice的結(jié)果與數(shù)據(jù)表上的典型規(guī)格進行比較時，出現(xiàn)大約8%的差距是很普遍的情況。