運算放大器輸出驅動(dòng)能力的方法分析(一)

在電路中選擇運算放大器(運放)來(lái)實(shí)現某一特定功能時(shí)，最具挑戰性的選擇標準之一是輸出電流或負載驅動(dòng)能力。運放的大多數性能參數通常都會(huì )在數據手冊、性能圖或應用指南中明確地給出。設計者須根據輸出電流并同時(shí)參考運放的其他各類(lèi)參數，以滿(mǎn)足數據手冊中所規定的產(chǎn)品性能。不同半導體制造商所提供的器件之間，甚至同一家制造商所提供的不同器件之間的輸出電流都存在很大區別，這使得運放的設計和應用變得更加復雜。本文將通過(guò)一些實(shí)例講解如何根據運放的性能參數對所需進(jìn)行設計的電路的驅動(dòng)能力進(jìn)行評估，從而幫助設計者確保自己所選擇的產(chǎn)品，在所有情況下都具有足夠的負載驅動(dòng)能力。

　　哪些因素影響驅動(dòng)能力

　　輸出驅動(dòng)能力是一系列內部和外部設定值或條件的函數。輸出級的偏置電流、驅動(dòng)級、結構和工藝都屬于內部因素。一旦選擇了一種器件來(lái)實(shí)現某一特定的功能，設計者就無(wú)法再改變這些影響輸出驅動(dòng)能力的內部條件。大多數低功耗運放的輸出驅動(dòng)能力較差，其中一個(gè)原因就是它們的輸出級的偏置電流較小。另一方面，高速運放通常具有較高的驅動(dòng)能力，可滿(mǎn)足高速電路的低阻要求。高速運放通常具有較高的電源工作電流，這也會(huì )提高輸出驅動(dòng)能力。

　　傳統上，集成化PNP級比NPN晶體管的性能要差。在這樣的工藝下，PNP輸出晶體管與NPN相比，越低的β值，意味著(zhù)輸出驅動(dòng)能力會(huì )不平衡。滿(mǎn)擺幅輸出的運放通常會(huì )將晶體管的集電極作為輸出管腳，性能較差的PNP管會(huì )導致提供源電流(source current)的能力比提供阱電流(sink current)的能力差。對于非滿(mǎn)擺幅器件，情況恰好相反，由于大多數器件使用PNP晶體管的發(fā)射極輸出，大大地影響了阱電流特性，因此它們輸出阱電流的能力較差。而且，當估計器件的輸出電流能力時(shí)，器件之間的性能波動(dòng)也應考慮在內。因此設計者在基于"典型的"數據手冊規范選擇器件的同時(shí)，還必須考慮"限值"和"最小"規范，以確保所使用的每個(gè)器件在生產(chǎn)時(shí)都具有足夠的驅動(dòng)能力。

　　除上面所列的內部因素之外，一些外部因素也會(huì )影響驅動(dòng)能力。其中一些能夠被控制，以?xún)?yōu)化輸出驅動(dòng)能力，而其余的就很難控制。下面列出了影響輸出驅動(dòng)能力的外部因素：相對于相應電源電壓的輸出電壓余量(相對于電源電壓的差值);輸入過(guò)驅動(dòng)電壓;總電源電壓;直流與交流耦合負載;結溫。

　　輸出驅動(dòng)能力通常以輸出短路電流的形式給出。此時(shí)，制造商指定當輸出接地(在單電源供電的情況下為1/2電源電壓，稱(chēng)作"Vs/2")時(shí)所能提供的電流值。制造商可能會(huì )提供兩個(gè)數值，一個(gè)代表源電流(通常前面會(huì )有"+")，另一個(gè)代表阱電流(通常前面會(huì )有"-")。在負載上電壓擺幅很小的應用中，輸出級驅動(dòng)器相對于電源電壓(源電流為V+，漏電流為V-)會(huì )有很大的電壓差，此時(shí)用戶(hù)能夠使用這一數據來(lái)有效地預測此運放的性能。試想運放帶一個(gè)很大負載并且該負載被一個(gè)接近地(或在單電源情況下為Vs/2)的電壓驅動(dòng)的情況。如果放大級的負載是逐步變化的，能向負載提供的電流將與運放數據手冊中"輸出短路電流"所給出的電流值一致。一旦輸出開(kāi)始隨之改變，將發(fā)生兩個(gè)情況：運放的輸出電壓余量減小;運放的輸入過(guò)驅動(dòng)電壓減小。

　　由于前一個(gè)原因所能提供的輸出電流將減小，這還與運放的設計有關(guān)，如后者中所述，過(guò)驅動(dòng)電壓的減小也會(huì )引起輸出電流的減小。

　　另一種更有用的確定電流能力的方法，是使用輸出電流和輸出電壓圖。圖1顯示了美國國家半導體公司的LMH6642的輸出電流和輸出電壓圖。對于大多數器件，通常會(huì )對源電流(圖1a)和阱電流(圖1b)這兩種情況分別給出一張圖。

　　圖1：LMH6642的輸出特征。

　　使用這種圖，就能夠估算出對于給定的輸出擺幅運放所能提供的電流。這些圖由半導體制造商提供，用來(lái)顯示放大器的輸出電流能力與輸出電壓之間的關(guān)系。

　　請注意，在圖1中，描述了"來(lái)自V+的Vout"與輸出源電流的關(guān)系，以及"來(lái)自V-的Vout"與輸出阱電流的關(guān)系。用這種方法來(lái)表示數據的原因之一是，和輸出電壓相對于地的表示方法相比，它能被更容易地應用于單電源或雙電源操作。另一個(gè)原因是由于電壓余量比總