運(yùn)算放大器輸出驅(qū)動(dòng)能力的方法分析(一)

在電路中選擇運(yùn)算放大器(運(yùn)放)來實(shí)現(xiàn)某一特定功能時(shí)，最具挑戰(zhàn)性的選擇標(biāo)準(zhǔn)之一是輸出電流或負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力。運(yùn)放的大多數(shù)性能參數(shù)通常都會(huì)在數(shù)據(jù)手冊(cè)、性能圖或應(yīng)用指南中明確地給出。設(shè)計(jì)者須根據(jù)輸出電流并同時(shí)參考運(yùn)放的其他各類參數(shù)，以滿足數(shù)據(jù)手冊(cè)中所規(guī)定的產(chǎn)品性能。不同半導(dǎo)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(qū)別，這使得運(yùn)放的設(shè)計(jì)和應(yīng)用變得更加復(fù)雜。本文將通過一些實(shí)例講解如何根據(jù)運(yùn)放的性能參數(shù)對(duì)所需進(jìn)行設(shè)計(jì)的電路的驅(qū)動(dòng)能力進(jìn)行評(píng)估，從而幫助設(shè)計(jì)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(fù)載驅(qū)動(dòng)能力。

　　哪些因素影響驅(qū)動(dòng)能力

　　輸出驅(qū)動(dòng)能力是一系列內(nèi)部和外部設(shè)定值或條件的函數(shù)。輸出級(jí)的偏置電流、驅(qū)動(dòng)級(jí)、結(jié)構(gòu)和工藝都屬于內(nèi)部因素。一旦選擇了一種器件來實(shí)現(xiàn)某一特定的功能，設(shè)計(jì)者就無法再改變這些影響輸出驅(qū)動(dòng)能力的內(nèi)部條件。大多數(shù)低功耗運(yùn)放的輸出驅(qū)動(dòng)能力較差，其中一個(gè)原因就是它們的輸出級(jí)的偏置電流較小。另一方面，高速運(yùn)放通常具有較高的驅(qū)動(dòng)能力，可滿足高速電路的低阻要求。高速運(yùn)放通常具有較高的電源工作電流，這也會(huì)提高輸出驅(qū)動(dòng)能力。

　　傳統(tǒng)上，集成化PNP級(jí)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，意味著輸出驅(qū)動(dòng)能力會(huì)不平衡。滿擺幅輸出的運(yùn)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(dǎo)致提供源電流(source current)的能力比提供阱電流(sink current)的能力差。對(duì)于非滿擺幅器件，情況恰好相反，由于大多數(shù)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(dāng)估計(jì)器件的輸出電流能力時(shí)，器件之間的性能波動(dòng)也應(yīng)考慮在內(nèi)。因此設(shè)計(jì)者在基于"典型的"數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)范選擇器件的同時(shí)，還必須考慮"限值"和"最小"規(guī)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(qū)動(dòng)能力。

　　除上面所列的內(nèi)部因素之外，一些外部因素也會(huì)影響驅(qū)動(dòng)能力。其中一些能夠被控制，以優(yōu)化輸出驅(qū)動(dòng)能力，而其余的就很難控制。下面列出了影響輸出驅(qū)動(dòng)能力的外部因素：相對(duì)于相應(yīng)電源電壓的輸出電壓余量(相對(duì)于電源電壓的差值);輸入過驅(qū)動(dòng)電壓;總電源電壓;直流與交流耦合負(fù)載;結(jié)溫。

　　輸出驅(qū)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(dāng)輸出接地(在單電源供電的情況下為1/2電源電壓，稱作"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(shù)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(fù)載上電壓擺幅很小的應(yīng)用中，輸出級(jí)驅(qū)動(dòng)器相對(duì)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)用戶能夠使用這一數(shù)據(jù)來有效地預(yù)測(cè)此運(yùn)放的性能。試想運(yùn)放帶一個(gè)很大負(fù)載并且該負(fù)載被一個(gè)接近地(或在單電源情況下為Vs/2)的電壓驅(qū)動(dòng)的情況。如果放大級(jí)的負(fù)載是逐步變化的，能向負(fù)載提供的電流將與運(yùn)放數(shù)據(jù)手冊(cè)中"輸出短路電流"所給出的電流值一致。一旦輸出開始隨之改變，將發(fā)生兩個(gè)情況：運(yùn)放的輸出電壓余量減小;運(yùn)放的輸入過驅(qū)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(yùn)放的設(shè)計(jì)有關(guān)，如后者中所述，過驅(qū)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(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的LMH6642的輸出電流和輸出電壓圖。對(duì)于大多數(shù)器件，通常會(huì)對(duì)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(duì)于給定的輸出擺幅運(yùn)放所能提供的電流。這些圖由半導(dǎo)體制造商提供，用來顯示放大器的輸出電流能力與輸出電壓之間的關(guān)系。

　　請(qǐng)注意，在圖1中，描述了"來自V+的Vout"與輸出源電流的關(guān)系，以及"來自V-的Vout"與輸出阱電流的關(guān)系。用這種方法來表示數(shù)據(jù)的原因之一是，和輸出電壓相對(duì)于地的表示方法相比，它能被更容易地應(yīng)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