运算放大器的“最大电源电流” 规格

作者：Harry Holt，ADI公司应用工程师

内容提要

对于大多数IC(集成电路)，数据手册上都会列出最大电源电流，但人们常常对其测量条件视而不见。对于某些轨到轨输出运算放大器，某些操作可能会导致电源电流比规定的最大值高出2到10倍。
本文探讨在确定最大电源电流时，需要考虑哪些方面；本文的讨论对双极性和CMOS运算放大器均适用。

几乎所有IC的数据手册都会提供保证的最大电源电流值，但该值并不能够用来计算最差情况的功耗。众所周知，CMOS数字器件的电源电流随着时钟频率的提高而提高，但模拟器件，特别是运算放大器会如何呢？可以使用电源电流加上供应给负载的电流作为最大值吗？(提示：并不尽然......)运算放大器以闭环形式工作，而比较器则以开环形式工作。虽然这一原则十分简单并且显而易见，但我们很少思考违反原则会带来什么后果。常见的问题是将运算放大器用作比较器，因为许多运算放大器的失调和噪声均非常低。当运算放大器采用±15 V电源供电，并且输入信号在±10 V范围内时，将其用作比较器有时是可行的，特别是如果增加一些正迟滞来避免振荡并加快不确定区域的过渡。但随着轨到轨输出运算放大器的出现，问题开始变得严重。参考文献(1)对输入和输出级做了很好的阐释。

历史回顾

在数字世界，NAND门、NOR门等的MIL/ANSI符号截然不同。但在模拟世界，不知是何原因，运算放大器和比较器均显示为一个带两路输入和一路输出的三角形，“这种表示方法影响深远”(2)。运算放大器用作比较器已有很长时间，关于比较器和用作比较器的运算放大器，已有许多论文做过探讨。早在1967年，当推出LM101A时，其数据手册显示的应用电路中就是用作比较器。指南MT-083 (3)对
比较器进行了比较全面的综述，包括放大器的性能指标和为何需要迟滞，但并未讨论将运算放大器用作比较器的情况。

Sylvan (4)讨论了运算放大器用作比较器时的一般考虑因素，但并未特别讨论轨到轨输出运算放大器。他确实提醒过大家应当注意输入相对于共模输入电压的差异，并涉及到差模电压的差别。Bryant (5)开宗明义：“然而，关于将运算放大器用作比较器的最佳建议非常简单——不要这样做！”，然后说明了多个需要考虑的问题，最后总结道：在某些应用中，这可能是一个正确的设计决策。Kester (6)同样反对将运算放大器用作比较器，但也勉强承认，有些情况下这可能行得通。Moghimi (7)讨论了运算放大器与比较器的区别，警告说“魔鬼就藏在细节中”，并且非常清楚地解释了输入保护二极管、反相和运放的多个其它特性，但他认为，小心处理这些细节还是可以有效地解决问题。他确实简要提及了轨到轨输出运算放大器，但未谈到电源电流。

图1. 经典双极性输出级

随着电源电压减小，用来保持较大电压摆幅的方法之一是将传统输出级变为“轨到轨”输出级。图1所示为一个经典输出级，可以称之为非轨到轨输出级，其输出只能达到正电源的1 V范围内。为了更接近供电轨，输出级晶体管变为共发射极配置，如图2所示。

图2. 双极性轨到轨输出

随着电源电压减小，用来保持较大电压摆幅的方法之一是将传统输出级变为“轨到轨”输出级。图1所示为一个经典输出级，可以称之为非轨到轨输出级，其输出只能达到正电源的1 V范围内。

为了更接近供电轨，输出级晶体管变为共发射极配置，如图2所示。“轨到轨”输出并非真正的“轨到轨”，但是可以达到距电源电压50 mV至100 mV范围内，具体取决于输出晶体管的大小和负载电流。

比较这两个输出级，有三点值得特别注意：第一，传统输出级具有电流增益、小于1的电压增益和非常低的输出阻抗。第二，轨到轨输出级是共发射极输出级，因而具有电压增益，约为gm × RL。RL由外部负载和晶体管的输出阻抗(RO)组成。当输出与供电轨相差数百毫伏以上时，RO非常大，通常可以忽略不计，但如果输出接近供电轨，则不能忽略。第三，可以将输出看作传统的双晶体管比例式电流镜，这是问题的症结所在。