應(yīng)用電路中運(yùn)算放大器的功率耗散分析計(jì)算

在將一個(gè)運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)成為全新應(yīng)用時(shí)經(jīng)常被問(wèn)到的兩個(gè)問(wèn)題是：

他的功率耗散“典型值”是多少？在我的第一個(gè)帖子進(jìn)行了介紹。

他的功率耗散“最大值”是多少？

應(yīng)該在目標(biāo)電路中評(píng)估運(yùn)算放大器的最大功率。我們假定放大器運(yùn)行的第一種情況是這樣的。我們將最低負(fù)載電阻RL加載到輸出上，正如OPA 316電氣特性表中所列出的那樣。這個(gè)表格中列出的值為2 k?（紅色橢圓中的值）。

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當(dāng)VS 和 IQ為最大值，并且輸出被偏置到Vs+電源電壓一半的dc電平時(shí)，將出現(xiàn)最大功率耗散。圖2顯示出OPA316被配置為單電源，非反向放大器。其輸出正在驅(qū)動(dòng)一個(gè)對(duì)地為2 kΩ的等效負(fù)載，此負(fù)載由RL與RF和RI串聯(lián)形成的電阻并聯(lián)而成。此非反向輸入由一個(gè)+1.375Vdc電源驅(qū)動(dòng)，由于有2倍增益，這個(gè)值在輸出上表現(xiàn)為2.75V。OPA316的輸出晶體管中的一個(gè)使電流流經(jīng)對(duì)地為2kΩ等效負(fù)載電阻，RL(EQV)。在其源極和漏極之間有2.75V電壓。

圖2顯示了用來(lái)確定OPA316功率耗散的電路。?

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圖2 – 驅(qū)動(dòng)2kΩ（等效）負(fù)載時(shí)OPA316的功率耗散

此放大器功率耗散的計(jì)算方法為：

計(jì)算出傳遞給負(fù)載的電流IO???????????????

VO =?2.75 V,???? RL = 5 k?,?????RF = 1.67 k?,????Ri = 1.67 k?

IO = IRL + IFB =?(VO/ RL)?+?[VO/ (RF + Ri? )] = (2.75 V/ 5 k?) + [2.75 V/ 2(1.67 k?)]

IO = 550 uA + 832.4 uA = 1.373 mA

Iq(max) = 500 uA（來(lái)自數(shù)據(jù)表）

PD(max) = [(Vs+) * Iq(max)] + [((Vs+) - VO) * IO] = [(5.5 V) (500 uA)] + [(5.5 V - 2.75 V) * 1.373 mA] = 6.5 mW

功率耗散很低，只是靜態(tài)水平的大約3.2倍。這也許不是用戶(hù)正在尋找的最差耗散情況，但卻是個(gè)好的開(kāi)始。

最差情況經(jīng)常在輸出被短接到地或短接到電源軌時(shí)出現(xiàn)。目前類(lèi)似于OPA316的運(yùn)算放大器的額定值能夠耐受短接至地的輸出，而不被損壞。OPA316短路信息在絕對(duì)最大值額定值數(shù)據(jù)表中列出。

輸出電流Io不受限制，但是具有有限的短路電流值，Isc；放大器在對(duì)地短接時(shí)能夠傳送的最大電流。內(nèi)部輸出晶體管特性以及電路設(shè)計(jì)規(guī)定了Isc的值。上面顯示的電氣特性表列出OPA316的Isc值為±50mA（藍(lán)色橢圓內(nèi)的值）。

由于輸出被強(qiáng)制為0V，沒(méi)有電流流經(jīng)反饋路徑電阻器，或者說(shuō)是RL。全部電路功率由OPA316在內(nèi)部消耗掉。圖3顯示了一個(gè)短路連接。需要注意的是，整個(gè)5.5V電源電壓被強(qiáng)加在拉出Isc電流的輸出晶體管上。其功率耗散PD(XSTR)會(huì)很大。

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圖3-輸出短路情況下的OPA316

現(xiàn)在在輸出短路的情況下計(jì)算PD：

IO = ISC ≈ 50 mA

PD(XSTR) = V(XSTR) ? ISC = 5.5 V (50 mA) = 275 mW

PQ(MAX) = (Vs+) IQ(MAX) = 5.5 V ? 500 uA = 2.75 mW

PD(MAX) = PQ(MAX) + PD(XSTR) = 2.75 mW + 275 mW = 278 mW

這個(gè)PD電平是從線性dc負(fù)載示例中獲得的電平的43倍。

但是放大器在這種情況下能正常使用嗎？晶體管結(jié)溫，Tj的計(jì)算結(jié)果應(yīng)該會(huì)告訴我們答案：

Tj = Ta + PD?θja???????????????????????

Ta = 環(huán)境溫度，典型值25 °C?????

θja = 熱阻抗，263 °C/W

θja 值在采用SC70-5封裝的OPA316熱信息表中列出

Tj = 25 °C + (0.278 W)(263 °C/W) = 98.1 °C

這一值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于數(shù)據(jù)表中列出的150 °C Tj最大值。運(yùn)算放大器應(yīng)該還可以。Tj會(huì)接近150 °C的唯一可能情況就是Ta已經(jīng)升高了50 °C。

簡(jiǎn)單dc分析技術(shù)可以幫助用戶(hù)理解他們應(yīng)用電路中所使用的運(yùn)算放大器的功率耗散。此數(shù)據(jù)表經(jīng)常提供執(zhí)行這些計(jì)算所需要的全部?jī)?nèi)容。涉及ac信號(hào)的功率耗散確定會(huì)更加復(fù)雜，這是因?yàn)槠渲械臅r(shí)間要素。這樣的分析通常要采用積分技巧。然而，dc分析將常常提供最差情況的耗散信息。