淺析運算放大器的“最大電源電流”

Ameya360

對于大多數IC(集成電路)，數據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算放大器，某些操作可能會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，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，特別是運算放大器會如何呢?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......)運算放大器以閉環形式工作，而比較器則以開環形式工作。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，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域的過渡。但隨著軌到軌輸出運算放大器的出現，問題開始變得嚴重。

歷史回顧

在數字世界，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”。運算放大器用作比較器已有很長時間，關于比較器和用作比較器的運算放大器，已有許多論文做過探討。早在1967年，當推出LM101A時，其數據手冊顯示的應用電路中就是用作比較器。

圖1. 經典雙極性輸出級

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輸出級變為“軌到軌”輸出級。圖1所示為一個經典輸出級，可以稱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，輸出級晶體管變為共發射極配置，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輸出級變為“軌到軌”輸出級。圖1所示為一個經典輸出級，可以稱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，輸出級晶體管變為共發射極配置，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。

比較這兩個輸出級，有三點值得特別注意：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，RO非常大，通常可以忽略不計，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，這是問題的癥結所在。

在正常工作中，中間級會拉低基極-集電極節點，將更多電流驅動到負載，從而提高電壓。在負反饋下，隨著輸出電壓升高，輸入級和中間級將降低驅動電流，直到閉環平衡。當用作比較器時，中間級會拉低基極-集電極節點，試圖封閉環路，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電源引腳，以額外電源電流的形式出現。驅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，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算放大器和一個CMOS運算放大器。為了進行比較，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。使用三個電路，測量與電源電壓呈函數關系的電源電流。圖3顯示了用于測量電源電流的經典方法。電流表按圖示進行連接，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，并且不包括通過輸入引腳的任何無關電流路徑。

電阻值無關緊要，所選值只需確保運算放大器的輸入在數據手冊技術規格表規定的輸入電壓范圍(IVR)內。要測量開環下的電源電流，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，但這并不意味著器件能夠在這種條件下工作。應當參考器件的簡化內部原理圖，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到供電軌，同時應足夠高，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

CMOS軌到軌運算放大器

CMOS運算放大器有一個值得注意的行為。某些情況下，當驅動到供電軌時，電源電流實際上會下降。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，驅動電路將靜態電流設置為某個值。當輸出被驅動到供電軌時，驅動電路會降低互補晶體管上的驅動電流。根據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，兩個運算放大器可能會共享某些電路，如偏置電路和相關的動電路等。正如前面所說的，如果一個運算放大器超出正常工作范圍，引起偏置電路失靈，則另一個運算放大器也會失靈。在電池供電的系統中，或者使用低電流串聯穩壓器時，應當考慮額外電源電流。電池使用壽命可能比計算結果短，穩壓器可能無法在所有條件下啟動，特別是在不同溫度下。

提示

對于新設計，最簡單的解決辦法是“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用作比較器的信息。某些制造商會提供此信息。

如果沒有相關信息，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品來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，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，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品代替四通道產品。電源電流可能會大大超過數據手冊規定的“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。