運(yùn)算放大器的“最大電源電流” 規(guī)格

對于大多數(shù)IC(集成電路)，數(shù)據(jù)手冊上都會列出最大電源電流，但人們常常對其測量條件視而不見。對于某些軌到軌輸出運(yùn)算放大器，某些操作可能會導(dǎo)致電源電流比規(guī)定的最大值高出2到10倍。

本文探討在確定最大電源電流時，需要考慮哪些方面;本文的討論對雙極性和CMOS運(yùn)算放大器均適用。

幾乎所有IC的數(shù)據(jù)手冊都會提供保證的最大電源電流值，但該值并不能夠用來計算最差情況的功耗。眾所周知，CMOS數(shù)字器件的電源電流隨著時鐘頻率的提高而提高，但模擬器件，特別是運(yùn)算放大器會如何呢?可以使用電源電流加上供應(yīng)給負(fù)載的電流作為最大值嗎?(提示：并不盡然......)運(yùn)算放大器以閉環(huán)形式工作，而比較器則以開環(huán)形式工作。雖然這一原則十分簡單并且顯而易見，但我們很少思考違反原則會帶來什么后果。常見的問題是將運(yùn)算放大器用作比較器，因為許多運(yùn)算放大器的失調(diào)和噪聲均非常低。當(dāng)運(yùn)算放大器采用±15 V電源供電，并且輸入信號在±10 V范圍內(nèi)時，將其用作比較器有時是可行的，特別是如果增加一些正遲滯來避免振蕩并加快不確定區(qū)域的過渡。但隨著軌到軌輸出運(yùn)算放大器的出現(xiàn)，問題開始變得嚴(yán)重。參考文獻(xiàn)(1)對輸入和輸出級做了很好的闡釋。

歷史回顧

在數(shù)字世界，NAND門、NOR門等的MIL/ANSI符號截然不同。但在模擬世界，不知是何原因，運(yùn)算放大器和比較器均顯示為一個帶兩路輸入和一路輸出的三角形，“這種表示方法影響深遠(yuǎn)”(2)。運(yùn)算放大器用作比較器已有很長時間，關(guān)于比較器和用作比較器的運(yùn)算放大器，已有許多論文做過探討。早在1967年，當(dāng)推出LM101A時，其數(shù)據(jù)手冊顯示的應(yīng)用電路中就是用作比較器。指南MT-083 (3)對

比較器進(jìn)行了比較全面的綜述，包括放大器的性能指標(biāo)和為何需要遲滯，但并未討論將運(yùn)算放大器用作比較器的情況。

Sylvan (4)討論了運(yùn)算放大器用作比較器時的一般考慮因素，但并未特別討論軌到軌輸出運(yùn)算放大器。他確實提醒過大家應(yīng)當(dāng)注意輸入相對于共模輸入電壓的差異，并涉及到差模電壓的差別。Bryant (5)開宗明義：“然而，關(guān)于將運(yùn)算放大器用作比較器的最佳建議非常簡單——不要這樣做!”，然后說明了多個需要考慮的問題，最后總結(jié)道：在某些應(yīng)用中，這可能是一個正確的設(shè)計決策。Kester (6)同樣反對將運(yùn)算放大器用作比較器，但也勉強(qiáng)承認(rèn)，有些情況下這可能行得通。Moghimi (7)討論了運(yùn)算放大器與比較器的區(qū)別，警告說“魔鬼就藏在細(xì)節(jié)中”，并且非常清楚地解釋了輸入保護(hù)二極管、反相和運(yùn)放的多個其它特性，但他認(rèn)為，小心處理這些細(xì)節(jié)還是可以有效地解決問題。他確實簡要提及了軌到軌輸出運(yùn)算放大器，但未談到電源電流。

圖1. 經(jīng)典雙極性輸出級

隨著電源電壓減小，用來保持較大電壓擺幅的方法之一是將傳統(tǒng)輸出級變?yōu)?ldquo;軌到軌”輸出級。圖1所示為一個經(jīng)典輸出級，可以稱之為非軌到軌輸出級，其輸出只能達(dá)到正電源的1 V范圍內(nèi)。為了更接近供電軌，輸出級晶體管變?yōu)楣舶l(fā)射極配置，如圖2所示。

圖2. 雙極性軌到軌輸出

隨著電源電壓減小，用來保持較大電壓擺幅的方法之一是將傳統(tǒng)輸出級變?yōu)?ldquo;軌到軌”輸出級。圖1所示為一個經(jīng)典輸出級，可以稱之為非軌到軌輸出級，其輸出只能達(dá)到正電源的1 V范圍內(nèi)。

為了更接近供電軌，輸出級晶體管變?yōu)楣舶l(fā)射極配置，如圖2所示。“軌到軌”輸出并非真正的“軌到軌”，但是可以達(dá)到距電源電壓50 mV至100 mV范圍內(nèi)，具體取決于輸出晶體管的大小和負(fù)載電流。

比較這兩個輸出級，有三點值得特別注意：第一，傳統(tǒng)輸出級具有電流增益、小于1的電壓增益和非常低的輸出阻抗。第二，軌到軌輸出級是共發(fā)射極輸出級，因而具有電壓增益，約為gm &TImes; RL。RL由外部負(fù)載和晶體管的輸出阻抗(RO)組成。當(dāng)輸出與供電軌相差數(shù)百毫伏以上時，RO非常大，通?？梢院雎圆挥嫞绻敵鼋咏╇娷?，則不能忽略。第三，可以將輸出看作傳統(tǒng)的雙晶體管比例式電流鏡，這是問題的癥結(jié)所在。

在正常工作中，中間級會拉低基極-集電極節(jié)點，將更多電流驅(qū)動到負(fù)載，從而提高電壓。在負(fù)反饋下，隨著輸出電壓升高，輸入級和中間級將降低驅(qū)動電流，直到閉環(huán)平衡。當(dāng)用作比較器時，中間級會拉低基極-集電極節(jié)點，試圖封閉環(huán)路，但由于沒有反饋，它將越拉越厲害。這一額外電流找到一條路徑從正電源引腳流到負(fù)電源引腳，以額外電源電流的形式出現(xiàn)。驅(qū)動輸出級的方法有多種，而且空穴和電子的遷移率存在差異，因此電源電流的提高通常不對稱。

為了量化這一效應(yīng)，筆者從ADI公司及三家主要模擬器件競爭廠商各獲得了一個雙極性運(yùn)算放大器和一個CMOS運(yùn)算放大器。為了進(jìn)行比較，試驗中還包括歷史悠久的雙通道運(yùn)算放大器LM358(非軌到軌輸出)和雙通道比較器LM393。使用三個電路，測量與電源電壓呈函數(shù)關(guān)系的電源電流。圖3顯示了用于測量電源電流的經(jīng)典方法。電流表按圖示進(jìn)行連接，以便剔除阻性分壓器的電源電流。

圖3

使用兩塊電流表，以便確認(rèn)電源電流是準(zhǔn)確的，并且不包括通過輸入引腳的任何無關(guān)電流路徑。

電阻值無關(guān)緊要，所選值只需確保運(yùn)算放大器的輸入在數(shù)據(jù)手冊技術(shù)規(guī)格表規(guī)定的輸入電壓范圍(IVR)內(nèi)。要測量開環(huán)下的電源電流，例如作為比較器工作時，參見圖4和圖5所示。某些低噪聲雙極性運(yùn)放的輸入端之間具有二極管，用以保護(hù)差分輸入對，因此“絕對最大額定值”表中規(guī)定的最大差分電壓通常是±0.7 V。如果有內(nèi)部串聯(lián)電阻，其值通常在500 Ω到2 kΩ范圍內(nèi)。“絕對最大額定值”表可能將最大差分電壓規(guī)定為正負(fù)電源電壓，但這并不意味著器件能夠在這種條件下工作。應(yīng)當(dāng)參考器件的簡化內(nèi)部原理圖，如果沒有提供，可以詢問制造商。在這兩種配置中，電阻值的選擇比前一種情況略顯重要。電阻值應(yīng)足夠低，使得差分輸入電壓至少為0.5 V，以保證輸出被盡力驅(qū)動到供電軌，同時應(yīng)足夠高，不至于損壞內(nèi)部二極管。所選值應(yīng)將輸入電流限制在1 mA以下。

圖4. 比較器、低電平輸出

圖5. 比較器、高電平輸出

表1列出了以下內(nèi)容：數(shù)據(jù)手冊的最大電源電流規(guī)格;在以下條件下測得的電源電流：運(yùn)算放大器連接為跟隨器，VIN為兩個電源引腳電壓的中間電壓(圖3);輸出驅(qū)動到低電平時的電源電流(圖4);輸出驅(qū)動到高電平時的電源電流(圖5)。

傳統(tǒng)運(yùn)算放大器和比較器

表1顯示，傳統(tǒng)器件LM358和LM393的表現(xiàn)一如預(yù)期。雙極性軌到軌運(yùn)算放大器所有雙極性軌到軌輸出運(yùn)算放大器的電源電流都大于一個或兩個比較器電路中的“最大”運(yùn)放電源電流。驅(qū)動輸出級的方法有多種，將輸出驅(qū)動到一個或另一個供電軌時，某些方法會導(dǎo)致電源電流升高。由于不熟悉其它制造商產(chǎn)品的內(nèi)部原理圖，無法評論該現(xiàn)象。對于OP284，數(shù)據(jù)手冊給出了第二級和輸出級的原理示意圖。參見圖6。

如果VOUT被Q5/Q3/Q4驅(qū)動到高電平，電源電流將是R4和R6值的函數(shù)。這些值的選擇意圖是最大程度地提高運(yùn)放性能并減小芯片面積，而不是為比較器考慮。當(dāng)VOUT被Q6/R1/Q1驅(qū)動到低電平時，電源電流將由R1決定。同樣，R1、I1等元件的值是針對運(yùn)放性能來選擇，而不是針對比較器性能。

圖6.

CMOS軌到軌運(yùn)算放大器

CMOS運(yùn)算放大器有一個值得注意的行為。某些情況下，當(dāng)驅(qū)動到供電軌時，電源電流實際上會下降。CMOS運(yùn)算放大器的輸出級由共源極PMOS和NMOS晶體管組成，增益在輸出級中獲得。增益為gm &TImes; RL，為了獲得合理的跨導(dǎo)值，驅(qū)動電路將靜態(tài)電流設(shè)置為某個值。當(dāng)輸出被驅(qū)動到供電軌時，驅(qū)動電路會降低互補(bǔ)晶體管上的驅(qū)動電流。根據(jù)上方晶體管到下方晶體管的傳遞特性，電流實際上會減小。注意，所選四個CMOS運(yùn)算放大器的行為存在很大差異。

最后，為了減小芯片尺寸，降低成本，兩個運(yùn)算放大器可能會共享某些電路，如偏置電路和相關(guān)的動電路等。正如前面所說的(8)，如果一個運(yùn)算放大器超出正常工作范圍，引起偏置電路失靈，則另一個運(yùn)算放大器也會失靈。在電池供電的系統(tǒng)中，或者使用低電流串聯(lián)穩(wěn)壓器時，應(yīng)當(dāng)考慮額外電源電流。電池使用壽命可能比計算結(jié)果短，穩(wěn)壓器可能無法在所有條件下啟動，特別是在不同溫度下。

提示

對于新設(shè)計，最簡單的解決辦法是“不要將運(yùn)算放大器用作比較器”。如果必須或無意中將運(yùn)算放大器用作比較器，那么：

檢查數(shù)據(jù)手冊，看制造商是否提供了有關(guān)用作比較器的信息。某些制造商會提供此信息(9、10)。

如果沒有相關(guān)信息，詢問制造商是否可以提供。

如果制造商無法提供，請使用多個日期代碼的產(chǎn)品來對上述電路自行測量，增加50%的安全系數(shù)。

總結(jié)

當(dāng)用作比較器時，軌到軌輸出運(yùn)算放大器具有一些獨特的表現(xiàn)。需要比較器功能時，延長電池壽命和提高性能的最佳辦法是使用低成本比較器，將任何已用的運(yùn)算放大器鏈接為跟隨器并使同向輸入端等于運(yùn)放輸入電壓范圍內(nèi)的某一穩(wěn)定電壓，或者使用單通道和雙通道產(chǎn)品代替四通道產(chǎn)品。電源電流可能會大大超過數(shù)據(jù)手冊規(guī)定的“最大值”。在精心考慮的條件下，未使用的運(yùn)算放大器可以用作比較器，但適當(dāng)?shù)鼗旌鲜褂眠\(yùn)算放大器和比較器可以降低電源電流，并獲得明確定義的性能。