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运算放大器的“最大电源电流” 规格,你用对了吗?

ADI_Amy 員工 在 2016-6-20 建立的討論區

对于大多数IC(集成电路),数据手册上都会列出最大电源 电流,但人们常常对其测量条件视而不见。对于某些轨到 轨输出运算放大器,某些操作可能会导致电源电流比规定 的最大值高出2到10倍。本文探讨在确定最大电源电流 时,需要考虑哪些方面;本文的讨论对双极性和CMOS运 算放大器均适用。

 

几乎所有IC的数据手册都会提供保证的最大电源电流值,但该值并不能够用来计算最差情况的功耗。众所周知,CMOS数字器件的电源电流随着时钟频率的提高而提高,但模拟器件,特别是运算放大器会如何呢?可以使用电源电流加上供应给负载的电流作为最大值吗?(提示:并不尽然......)

 

运算放大器以闭环形式工作,而比较器则以开环形式工作。虽然这一原则十分简单并且显而易见,但我们很少思考违反原则会带来什么后果。常见的问题是将运算放大器用作比较器,因为许多运算放大器的失调和噪声均非常低。当运算放大器采用±15 V电源供电,并且输入信号在±10 V范围内时,将其用作比较器有时是可行的,特别是如果增加一些正迟滞来避免振荡并加快不确定区域的过渡。

 

但随着轨到轨输出运算放大器的出现,问题开始变得严重。

 

历史回顾

在数字世界,NAND门、NOR门等的MIL/ANSI符号截然不同。但在模拟世界,不知是何原因,运算放大器和比较器均显示为一个带两路输入和一路输出的三角形,“这种表示方法影响深远”(2)。运算放大器用作比较器已有很长时间,关于比较器和用作比较器的运算放大器,已有许多论文做过探讨。早在1967年,当推出LM101A时,其数据手册显示的应用电路中就是用作比较器。指南MT-083 (3)对比较器进行了比较全面的综述,包括放大器的性能指标和为何需要迟滞,但并未讨论将运算放大器用作比较器的情况。Sylvan (4)讨论了运算放大器用作比较器时的一般考虑因素,但并未特别讨论轨到轨输出运算放大器。他确实提醒过大家应当注意输入相对于共模输入电压的差异,并涉及到差模电压的差别。Bryant (5)开宗明义:“然而,关于将运算放大器用作比较器的最佳建议非常简单——不要这样做!”,然后说明了多个需要考虑的问题,最后总结道:在某些应用中,这可能是一个正确的设计决策。Kester (6)同样反对将运算放大器用作比较器,但也勉强承

认,有些情况下这可能行得通。Moghimi (7)讨论了运算放大器与比较器的区别,警告说“魔鬼就藏在细节中”,并且非常清楚地解释了输入保护二极管、反相和运放的多个其它特性,但他认为,小心处理这些细节还是可以有效地解决问题。他确实简要提及了轨到轨输出运算放大器,但未谈到电源电流。

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图1. 经典双极性输出级

 

随着电源电压减小,用来保持较大电压摆幅的方法之一是 将传统输出级变为“轨到轨”输出级。图1所示为一个经典输 出级,可以称之为非轨到轨输出级,其输出只能达到正电 源的1 V范围内。 为了更接近供电轨,输出级晶体管变为共发射极配置,如 图2所示。

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图2. 双极性轨到轨输出

 

“轨到轨”输出并非真正的“轨到轨”,但是可以达到距 电源电压50 mV至100 mV范围内,具体取决于输出晶体管 的大小和负载电流。 比较这两个输出级,有三点值得特别注意:第一,传统输 出级具有电流增益、小于1的电压增益和非常低的输出阻 抗。第二,轨到轨输出级是共发射极输出级,因而具有电 压增益,约为gm × RL 。RL 由外部负载和晶体管的输出阻抗 (RO)组成。当输出与供电轨相差数百毫伏以上时,RO非常 大,通常可以忽略不计,但如果输出接近供电轨,则不能 忽略。第三,可以将输出看作传统的双晶体管比例式电流 镜,这是问题的症结所在。

 

在正常工作中,中间级会拉低基极-集电极节点,将更多电 流驱动到负载,从而提高电压。在负反馈下,随着输出电 压升高,输入级和中间级将降低驱动电流,直到闭环平衡。 当用作比较器时,中间级会拉低基极-集电极节点,试图封 闭环路,但由于没有反馈,它将越拉越厉害。这一额外电 流找到一条路径从正电源引脚流到负电源引脚,以额外电 源电流的形式出现。驱动输出级的方法有多种,而且空穴 和电子的迁移率存在差异,因此电源电流的提高通常不 对称。 为了量化这一效应,笔者从ADI公司及三家主要模拟器件 竞争厂商各获得了一个双极性运算放大器和一个CMOS运 算放大器。为了进行比较,试验中还包括历史悠久的双通 道运算放大器LM358(非轨到轨输出)和双通道比较器 LM393。使用三个电路,测量与电源电压呈函数关系的电 源电流。图3显示了用于测量电源电流的经典方法。电流 表按图示进行连接,以便剔除阻性分压器的电源电流。

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图3.

 

使用两块电流表,以便确认电源电流是准确的,并且不包 括通过输入引脚的任何无关电流路径。

电阻值无关紧要,所选值只需确保运算放大器的输入在数 据手册技术规格表规定的输入电压范围(IVR)内。 要测量开环下的电源电流,例如作为比较器工作时,参见 图4和图5所示。某些低噪声双极性运放的输入端之间具有 二极管,用以保护差分输入对,因此“绝对最大额定值” 表中规定的最大差分电压通常是±0.7 V。如果有内部串联 电阻,其值通常在500 Ω到2 kΩ范围内。“绝对最大额定 值”表可能将最大差分电压规定为正负电源电压,但这并 不意味着器件能够在这种条件下工作。应当参考器件的简 化内部原理图,如果没有提供,可以询问制造商。在这两 种配置中,电阻值的选择比前一种情况略显重要。电阻值 应足够低,使得差分输入电压至少为0.5 V,以保证输出被 尽力驱动到供电轨,同时应足够高,不至于损坏内部二极 管。所选值应将输入电流限制在1 mA以下。

 

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   图4. 比较器、低电平输出                                                                   图5. 比较器、高电平输出

 

 

表1列出了以下内容:

数据手册的最大电源电流规格;在 以下条件下测得的电源电流:运算放大器连接为跟随器, VIN为两个电源引脚电压的中间电压(图3);输出驱动到低 电平时的电源电流(图4);输出驱动到高电平时的电源电流 (图5)。

表1.

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红色亮显值表示超出了数据手册限值。

 

传统运算放大器和比较器

表1显示,传统器件LM358和LM393的表现一如预期。

 

双极性轨到轨运算放大器

所有双极性轨到轨输出运算放大器的电源电流都大于一个 或两个比较器电路中的“最大”运放电源电流。驱动输出 级的方法有多种,将输出驱动到一个或另一个供电轨时, 某些方法会导致电源电流升高。由于不熟悉其它制造商产 品的内部原理图,无法评论该现象。 对于OP284,数据手册给出了第二级和输出级的原理示意 图。参见图6。 如果VOUT被Q5/Q3/Q4驱动到高电平,电源电流将是R4和 R6值的函数。这些值的选择意图是最大程度地提高运放性 能并减小芯片面积,而不是为比较器考虑。当VOUT被 Q6/R1/Q1驱动到低电平时,电源电流将由R1决定。同样, R1、I1等元件的值是针对运放性能来选择,而不是针对比 较器性能。

6.1.jpg 图6

 

CMOS轨到轨运算放大器

CMOS运算放大器有一个值得注意的行为。某些情况下, 当驱动到供电轨时,电源电流实际上会下降。CMOS运算 放大器的输出级由共源极PMOS和NMOS晶体管组成,增 益在输出级中获得。增益为gm × RL ,为了获得合理的跨导 值,驱动电路将静态电流设置为某个值。当输出被驱动到 供电轨时,驱动电路会降低互补晶体管上的驱动电流。根 据上方晶体管到下方晶体管的传递特性,电流实际上会减 小。注意,所选四个CMOS运算放大器的行为存在很大 差异。 最后,为了减小芯片尺寸,降低成本,两个运算放大器可 能会共享某些电路,如偏置电路和相关的启动电路等。正 如前面所说的(8),如果一个运算放大器超出正常工作范 围,引起偏置电路失灵,则另一个运算放大器也会失灵。 在电池供电的系统中,或者使用低电流串联稳压器时,应 当考虑额外电源电流。电池使用寿命可能比计算结果短, 稳压器可能无法在所有条件下启动,特别是在不同温度下。

 

提示

对于新设计,最简单的解决办法是“不要将运算放大器用 作比较器”。如果必须或无意中将运算放大器用作比较 器,那么: • 检查数据手册,看制造商是否提供了有关用作比较 器的信息。某些制造商会提供此信息(9、10)。

• 如果没有相关信息,询问制造商是否可以提供。

• 如果制造商无法提供,请使用多个日期代码的产品 来对上述电路自行测量,增加50%的安全系数。

 

总结

当用作比较器时,轨到轨输出运算放大器具有一些独特的 表现。

 

需要比较器功能时,延长电池寿命和提高性能的最佳办法 是使用低成本比较器,将任何已用的运算放大器链接为跟 随器并使同向输入端等于运放输入电压范围内的某一稳定 电压,或者使用单通道和双通道产品代替四通道产品。电 源电流可能会大大超过数据手册规定的“最大值”。在精 心考虑的条件下,未使用的运算放大器可以用作比较器, 但适当地混合使用运算放大器和比较器可以降低电源电 流,并获得明确定义的性能。

結果