运算放大器输出驱动能力的方法分析

 

　　在电路中选择运算放大器(运放)来实现某一特定功能时，最具挑战性的选择标准之一是输出电流或负载驱动能力。运放的大多数性能参数通常都会在数据手册、性能图或应用指南中明确地给出。设计者须根据输出电流并同时参考运放的其他各类参数，以满足数据手册中所规定的产品性能。不同半导体制造商所提供的器件之间，甚至同一家制造商所提供的不同器件之间的输出电流都存在很大区别，这使得运放的设计和应用变得更加复杂。本文将通过一些实例讲解如何根据运放的性能参数对所需进行设计的电路的驱动能力进行评估，从而帮助设计者确保自己所选择的产品，在所有情况下都具有足够的负载驱动能力。

　　哪些因素影响驱动能力

　　输出驱动能力是一系列内部和外部设定值或条件的函数。输出级的偏置电流、驱动级、结构和工艺都属于内部因素。一旦选择了一种器件来实现某一特定的功能，设计者就无法再改变这些影响输出驱动能力的内部条件。大多数低功耗运放的输出驱动能力较差，其中一个原因就是它们的输出级的偏置电流较小。另一方面，高速运放通常具有较高的驱动能力，可满足高速电路的低阻要求。高速运放通常具有较高的电源工作电流，这也会提高输出驱动能力。

　　传统上，集成化PNP级比NPN晶体管的性能要差。在这样的工艺下，PNP输出晶体管与NPN相比，越低的β值，意味着输出驱动能力会不平衡。满摆幅输出的运放通常会将晶体管的集电极作为输出管脚，性能较差的PNP管会导致提供源电流(source current)的能力比提供阱电流(sink current)的能力差。对于非满摆幅器件，情况恰好相反，由于大多数器件使用PNP晶体管的发射极输出，大大地影响了阱电流特性，因此它们输出阱电流的能力较差。而且，当估计器件的输出电流能力时，器件之间的性能波动也应考虑在内。因此设计者在基于"典型的"数据手册规范选择器件的同时，还必须考虑"限值"和"最小"规范，以确保所使用的每个器件在生产时都具有足够的驱动能力。

　　除上面所列的内部因素之外，一些外部因素也会影响驱动能力。其中一些能够被控制，以优化输出驱动能力，而其余的就很难控制。下面列出了影响输出驱动能力的外部因素：相对于相应电源电压的输出电压余量(相对于电源电压的差值);输入过驱动电压;总电源电压;直流与交流耦合负载;结温。

　　输出驱动能力通常以输出短路电流的形式给出。此时，制造商指定当输出接地(在单电源供电的情况下为1/2电源电压，称作"Vs/2")时所能提供的电流值。制造商可能会提供两个数值，一个代表源电流(通常前面会有"+")，另一个代表阱电流(通常前面会有"-")。在负载上电压摆幅很小的应用中，输出级驱动器相对于电源电压(源电流为V+，漏电流为V-)会有很大的电压差，此时用户能够使用这一数据来有效地预测此运放的性能。试想运放带一个很大负载并且该负载被一个接近地(或在单电源情况下为Vs/2)的电压驱动的情况。如果放大级的负载是逐步变化的，能向负载提供的电流将与运放数据手册中"输出短路电流"所给出的电流值一致。一旦输出开始随之改变，将发生两个情况：运放的输出电压余量减小;运放的输入过驱动电压减小。

　　由于前一个原因所能提供的输出电流将减小，这还与运放的设计有关，如后者中所述，过驱动电压的减小也会引起输出电流的减小。

　　另一种更有用的确定电流能力的方法，是使用输出电流和输出电压图。图1显示了美国国家半导体公司的LMH6642的输出电流和输出电压图。对于大多数器件，通常会对源电流(图1a)和阱电流(图1b)这两种情况分别给出一张图。

　　

 

　　图1：LMH6642的输出特征。

　　使用这种图，就能够估算出对于给定的输出摆幅运放所能提供的电流。这些图由半导体制造商提供，用来显示放大器的输出电流能力与输出电压之间的关系。

　　请注意，在图1中，描述了"来自V+的Vout"与输出源电流的关系，以及"来自V-的Vout"与输出阱电流的关系。用这种方法来表示数据的原因之一是，和输出电压相对于地的表示方法相比，它能被更容易地应用于单电源或双电源操作。另一个原因是由于电压余量比总的电源电压对于输出电流的影响要大得多，因此对于任意的电源电压，即使在数据手册上找不到精确对应的条件，这种数据手册示方法也能使设计者通过一组最接近的曲线来进行粗略的计算。

　　图1能够用来预测一个给定负载上的电压摆幅。如果坐标轴是线性的，设计者只需要在图1的特征曲线上加上一条负载曲线，通过这两条曲线的交点就能确定电压摆幅。但如图所示，很多情况下，尤其当运放是满摆幅输出时，两条坐标轴都使用对数坐标，以使得在输出电流很小、输出只有几毫伏的情况下，曲线也能有较好的分辨率。在对数坐标下，负载曲线不再是一条简单的直线，将不容易画出。那么如何才能预测一个给定负载的输出摆幅呢?

　　如果设计师愿意花些时间在器件性能和外部电路要求之间反复进行摆幅预测，会得到一个十分精确的结果。这里，我将利用一些实例说明如何进行这种预测。

　　

 

　　图2：预测给定负载上的输出电压摆幅的实例。

　　考虑如图2a的应用，其中LMH6642被用来驱动一个RL=100Ω并与Vs/2(1/2电源电压)相连的负载。假设此情况下LMH6642的输出被偏置在Vs/2或5V：

　　问题是设计师能够使用图1中所示的LMH6642的数据来估计可能的最大输出摆幅吗?答案是肯定的。

　　为了估计摆幅，要创建一张表(表1)，它由输出摆幅的初始猜测值开始(第2列)，接着是对猜测值的一系列修正(比较第3列和第5列，结果由第6列显示)。

　　

 

　　表1： 使用迭代来预测图2a的输出摆幅(LMH6642)。

　　重复这一过程，直至在所给的条件下，器件特性与负载要求一致，便在第2列的底部得到了最终的结果，这样就完成了对摆幅的估算。因此，表1中的反复结果显示，图2a中的电路能在100Ω的负载上产生最高8.75V的电压。转换成峰峰值是7.5VPP{=(8.75-5)V x 2=7.5VPP}。

　　下面列出了表1中所使用方法的一些注意事项：对于图2a中的电路，只能提供源电流。因此，只使用了图1a。在每种情况下，在图1中假设最差的温度情况来计算第5列的数值。第5列中的数值是在图1a中将第4列的值作为y轴，然后从图中读出的。第2列中的最终结果，也就是第4次迭代的值，还是一个近似解，因为第3列(87.5mA)中的数值仍比第5列(90mA)低。但是，图中的分辨率已经不允许再对这个结果进行细调。

　　现在我们对刚才讨论的实例稍做变化，假设LMH6642的输出负载不变，但信号经过交流耦合的情况，如图2b所示。预测输出摆幅的方法与前面相同，只是由于交流耦合负载只能"看到"信号的摆幅，输出电压的直流分量(偏置)被交流耦合电容阻挡，因此表中的一些条目(第3列)需要被修改。此外，还要注意交流耦合负载需要LMH6642的输出能接受和提供电流(与图2a中只需要输出提供电流的应用不同)。因此，选择源电流和漏电流特征中较小的一个数值，填入表2中的第5列。

　　

 

　　表2：使用迭代预测图2b的输出摆幅。

　　第2列中的最终结果(9.6V)对应于交流耦合负载上9.2VPP{=(9.6-5)V*2=9.2Vpp}的输出摆幅，像所预期的那样，要比前面所讨论的直流耦合负载的实例中的值(7.5VPP)大，原因是没有直流负载。

　　使用这些可选的输出能力图估算摆幅的过程，与前面给出的实例十分相似，都是使用反复方式对初始的猜测值进行细调。