運算放大器的“最大電源電流” 規格

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

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

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

歷史回顧

在數字世界，NAND門(mén)、NOR門(mén)等的MIL/ANSI符號截然不同。但在模擬世界，不知是何原因，運算放大器和比較器均顯示為一個(gè)帶兩路輸入和一路輸出的三角形，“這種表示方法影響深遠”(2)。運算放大器用作比較器已有很長(cháng)時(shí)間，關(guān)于比較器和用作比較器的運算放大器，已有許多論文做過(guò)探討。早在1967年，當推出LM101A時(shí)，其數據手冊顯示的應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和為何需要遲滯，但并未討論將運算放大器用作比較器的情況。

Sylvan (4)討論了運算放大器用作比較器時(shí)的一般考慮因素，但并未特別討論軌到軌輸出運算放大器。他確實(shí)提醒過(guò)大家應當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(kāi)宗明義：“然而，關(guān)于將運算放大器用作比較器的最佳建議非常簡(jiǎn)單——不要這樣做!”，然后說(shuō)明了多個(gè)需要考慮的問(wèn)題，最后總結道：在某些應用中，這可能是一個(gè)正確的設計決策。Kester (6)同樣反對將運算放大器用作比較器，但也勉強承認，有些情況下這可能行得通。Moghimi (7)討論了運算放大器與比較器的區別，警告說(shuō)“魔鬼就藏在細節中”，并且非常清楚地解釋了輸入保護二極管、反相和運放的多個(gè)其它特性，但他認為，小心處理這些細節還是可以有效地解決問(wèn)題。他確實(shí)簡(jiǎn)要提及了軌到軌輸出運算放大器，但未談到電源電流。

圖1. 經(jīng)典雙極性輸出級

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

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”，但是可以達到距電源電壓50 mV至100 mV范圍內，具體取決于輸出晶體管的大小和負載電流。

比較這兩個(gè)輸出級，有三點(diǎn)值得特別注意：第一，傳統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由外部負載和晶體管的輸出阻抗(RO)組成。當輸出與供電軌相差數百毫伏以上時(shí)，RO非常大，通?？梢院雎圆挥?，但如果輸出接近供電軌，則不能忽略。第三，可以將輸出看作傳統的雙晶體管比例式電流鏡，這是問(wèn)題的癥結所在。

在正常工作中，中間級會(huì )拉低基極-集電極節點(diǎn)，將更多電流驅動(dòng)到負載，從而提高電壓。在負反饋下，隨著(zhù)輸出電壓升高，輸入級和中間級將降低驅動(dòng)電流，直到閉環(huán)平衡。當用作比較器時(shí)，中間級會(huì )拉低基極-集電極節點(diǎn)，試圖封閉環(huán)路，但由于沒(méi)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電源引腳，以額外電源電流的形式出現。驅動(dòng)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(chēng)。

為了量化這一效應，筆者從ADI公司及三家主要模擬器件競爭廠(chǎng)商各獲得了一個(gè)雙極性運算放大器和一個(gè)CMOS運算放大器。為了進(jìn)行比較，試驗中還包括歷史悠久的雙通道運算放大器LM358(非軌到軌輸出)和雙通道比較器LM393。使用三個(gè)電路，測量與電源電壓呈函數關(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，以便確認電源電流是準確的，并且不包括通過(guò)輸入引腳的任何無(wú)關(guān)電流路徑。

電阻值無(wú)關(guān)緊要，所選值只需確保運算放大器的輸入在數據手冊技術(shù)規格表規定的輸入電壓范圍(IVR)內。要測量開(kāi)環(huán)下的電源電流，例如作為比較器工作時(shí)，參見(jiàn)圖4和圖5所示。某些低噪聲雙極性運放的輸入端之間具有二極管，用以保護差分輸入對，因此“絕對最大額定值”表中規定的最大差分電壓通常是±0.7 V。如果有內部串聯(lián)電阻，其值通常在500 Ω到2 kΩ范圍內。“絕對最大額定值”表可能將最大差分電壓規定為正負電源電壓，但這并不意味著(zhù)器件能夠在這種條件下工作。應當參考器件的簡(jiǎn)化內部原理圖，如果沒(méi)有提供，可以詢(xún)問(wèn)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動(dòng)到供電軌，同時(shí)應足夠高，不至于損壞內部二極管。所選值應將輸入電流限制在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列出了以下內容：數據手冊的最大電源電流規格;在以下條件下測得的電源電流：運算放大器連接為跟隨器，VIN為兩個(gè)電源引腳電壓的中間電壓(圖3);輸出驅動(dòng)到低電平時(shí)的電源電流(圖4);輸出驅動(dòng)到高電平時(shí)的電源電流(圖5)。

傳統運算放大器和比較器

表1顯示，傳統器件LM358和LM393的表現一如預期。雙極性軌到軌運算放大器所有雙極性軌到軌輸出運算放大器的電源電流都大于一個(gè)或兩個(gè)比較器電路中的“最大”運放電源電流。驅動(dòng)輸出級的方法有多種，將輸出驅動(dòng)到一個(gè)或另一個(gè)供電軌時(shí)，某些方法會(huì )導致電源電流升高。由于不熟悉其它制造商產(chǎn)品的內部原理圖，無(wú)法評論該現象。對于OP284，數據手冊給出了第二級和輸出級的原理示意圖。參見(jiàn)圖6。

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

圖6.

CMOS軌到軌運算放大器

CMOS運算放大器有一個(gè)值得注意的行為。某些情況下，當驅動(dòng)到供電軌時(shí)，電源電流實(shí)際上會(huì )下降。CMOS運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值，驅動(dòng)電路將靜態(tài)電流設置為某個(gè)值。當輸出被驅動(dòng)到供電軌時(shí)，驅動(dòng)電路會(huì )降低互補晶體管上的驅動(dòng)電流。根據上方晶體管到下方晶體管的傳遞特性，電流實(shí)際上會(huì )減小。注意，所選四個(gè)CMOS運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(gè)運算放大器可能會(huì )共享某些電路，如偏置電路和相關(guān)的動(dòng)電路等。正如前面所說(shuō)的(8)，如果一個(gè)運算放大器超出正常工作范圍，引起偏置電路失靈，則另一個(gè)運算放大器也會(huì )失靈。在電池供電的系統中，或者使用低電流串聯(lián)穩壓器時(shí)，應當考慮額外電源電流。電池使用壽命可能比計算結果短，穩壓器可能無(wú)法在所有條件下啟動(dòng)，特別是在不同溫度下。

提示

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

檢查數據手冊，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(huì )提供此信息(9、10)。

如果沒(méi)有相關(guān)信息，詢(xún)問(wèn)制造商是否可以提供。

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

總結

當用作比較器時(shí)，軌到軌輸出運算放大器具有一些獨特的表現。需要比較器功能時(shí)，延長(cháng)電池壽命和提高性能的最佳辦法是使用低成本比較器，將任何已用的運算放大器鏈接為跟隨器并使同向輸入端等于運放輸入電壓范圍內的某一穩定電壓，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(huì )大大超過(guò)數據手冊規定的“最大值”。在精心考慮的條件下，未使用的運算放大器可以用作比較器，但適當地混合使用運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。