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确定运算放大器输出驱动能力的方法分析

确定运算放大器输出驱动能力的方法分析

在电路中选择运算放大器(运放)来实现某一特定功能时,最具挑战性的选择标准之一是输出电流或负载驱动能力。运放的大多数性能参数通常都会在数据手册、性能图或应用指南中明确地给出。设计者须根据输出电流并同时参考运放的其他各类参数,以满足数据手册中所规定的产品性能。不同半导体制造商所提供的器件之间,甚至同一家制造商所提供的不同器件之间的输出电流都存在很大区别,这使得运放的设计和应用变得更加复杂。本文将通过一些实例讲解如何根据运放的性能参数对所需进行设计的电路的驱动能力进行评估,从而帮助设计者确保自己所选择的产品,在所有情况下都具有足够的负载驱动能力。

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哪些因素影响驱动能力

输出驱动能力是一系列内部和外部设定值或条件的函数。输出级的偏置电流、驱动级、结构和工艺都属于内部因素。一旦选择了一种器件来实现某一特定的功能,设计者就无法再改变这些影响输出驱动能力的内部条件。大多数低功耗运放的输出驱动能力较差,其中一个原因就是它们的输出级的偏置电流较小。另一方面,高速运放通常具有较高的驱动能力,可满足高速电路的低阻要求。高速运放通常具有较高的电源工作电流,这也会提高输出驱动能力。

传统上,集成化PNP级比NPN晶体管的性能要差。在这样的工艺下,PNP输出晶体管与NPN相比,越低的β值,意味着输出驱动能力会不平衡。满摆幅输出的运放通常会将晶体管的集电极作为输出管脚,性能较差的PNP管会导致提供源电流(source current)的能力比提供阱电流(sink current)的能力差。对于非满摆幅器件,情况恰好相反,由于大多数器件使用PNP晶体管的发射极输出,大大地影响了阱电流特性,因此它们输出阱电流的能力较差。而且,当估计器件的输出电流能力时,器件之间的性能波动也应考虑在内。因此设计者在基于典型的数据手册规范选择器件的同时,还必须考虑限值和最小规范,以确保所使用的每个器件在生产时都具有足够的驱动能力。

除上面所列的内部因素之外,一些外部因素也会影响驱动能力。其中一些能够被控制,以优化输出驱动能力,而其余的就很难控制。下面列出了影响输出驱动能力的外部因素:相对于相应电源电压的输出电压余量(相对于电源电压的差值);输入过驱动电压;总电源电压;直流与交流耦合负载;结温。

输出驱动能力通常以输出短路电流的形式给出。此时,制造商指定当输出接地(在单电源供电的情况下为1/2电源电压,称作Vs/2)时所能提供的电流值。制造商可能会提供两个数值,一个代表源电流(通常前面会有+),另一个代表阱电流(通常前面会有-)。在负载上电压摆幅很小的应用中,输出级驱动器相对于电源电压(源电流为V+,漏电流为V-)会有很大的电压差,此时用户能够使用这一数据来有效地预测此运放的性能。试想运放带一个很大负载并且该负载被一个接近地(或在单电源情况下为Vs/2)的电压驱动的情况。如果放大级的负载是逐步变化的,能向负载提供的电流将与运放数据手册中输出短路电流所给出的电流值一致。一旦输出开始随之改变,将发生两个情况:运放的输出电压余量减小;运放的输入过驱动电压减小。

由于前一个原因所能提供的输出电流将减小,这还与运放的设计有关,如后者中所述,过驱动电压的减小也会引起输出电流的减小。

另一种更有用的确定电流能力的方法,是使用输出电流和输出电压图。图1显示了美国国家半导体公司的LMH6642的输出电流和输出电压图。对于大多数器件,通常会对源电流(图1a)和阱电流(图1b)这两种情况分别给出一张图。

确定运算放大器输出驱动能力的方法分析


图1:LMH6642的输出特征。

使用这种图,就能够估算出对于给定的输出摆幅运放所能提供的电流。这些图由半导体制造商提供,用来显示放大器的输出电流能力与输出电压之间的关系。

请注意,在图1中,描述了来自V+的Vout与输出源电流的关系,以及来自V-的Vout与输出阱电流的关系。用这种方法来表示数据的原因之一是,和输出电压相对于地的表示方法相比,它能被更容易地应用于单电源或双电源操作。另一个原因是由于电压余量比总的电源电压对于输出电流的影响要大得多,因此对于任意的电源电压,即使在数据手册上找不到精确对应的条件,这种数据手册示方法也能使设计者通过一组最接近的曲线来进行粗略的计算。