運算放大器輸出驅動能力的方法分析

　　在電路中選擇運算放大器(運放)來實現某一特定功能時，最具挑戰性的選擇標準之一是輸出電流或負載驅動能力。運放的大多數性能參數通常都會在數據手冊、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參考運放的其他各類參數，以滿足數據手冊中所規定的產品性能。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。本文將通過一些實例講解如何根據運放的性能參數對所需進行設計的電路的驅動能力進行評估，從而幫助設計者確保自己所選擇的產品，在所有情況下都具有足夠的負載驅動能力。

　　哪些因素影響驅動能力

　　輸出驅動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、驅動級、結構和工藝都屬于內部因素。一旦選擇了一種器件來實現某一特定的功能，設計者就無法再改變這些影響輸出驅動能力的內部條件。大多數低功耗運放的輸出驅動能力較差，其中一個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能力，可滿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，這也會提高輸出驅動能力。

　　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，意味著輸出驅動能力會不平衡。滿擺幅輸出的運放通常會將晶體管的集電極作為輸出管腳，性能較差的PNP管會導致提供源電流(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，器件之間的性能波動也應考慮在內。因此設計者在基于"典型的"數據手冊規范選擇器件的同時，還必須考慮"限值"和"最小"規范，以確保所使用的每個器件在生產時都具有足夠的驅動能力。

　　除上面所列的內部因素之外，一些外部因素也會影響驅動能力。其中一些能夠被控制，以優化輸出驅動能力，而其余的就很難控制。下面列出了影響輸出驅動能力的外部因素：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);輸入過驅動電壓;總電源電壓;直流與交流耦合負載;結溫。

　　輸出驅動能力通常以輸出短路電流的形式給出。此時，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，稱作"Vs/2")時所能提供的電流值。制造商可能會提供兩個數值，一個代表源電流(通常前面會有"+")，另一個代表阱電流(通常前面會有"-")。在負載上電壓擺幅很小的應用中，輸出級驅動器相對于電源電壓(源電流為V+，漏電流為V-)會有很大的電壓差，此時用戶能夠使用這一數據來有效地預測此運放的性能。試想運放帶一個很大負載并且該負載被一個接近地(或在單電源情況下為Vs/2)的電壓驅動的情況。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。一旦輸出開始隨之改變，將發生兩個情況：運放的輸出電壓余量減小;運放的輸入過驅動電壓減小。

　　由于前一個原因所能提供的輸出電流將減小，這還與運放的設計有關，如后者中所述，過驅動電壓的減小也會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，用來顯示放大器的輸出電流能力與輸出電壓之間的關系。

　　請注意，在圖1中，描述了"來自V+的Vout"與輸出源電流的關系，以及"來自V-的Vout"與輸出阱電流的關系。用這種方法來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。另一個原因是由于電壓余量比總的電源電壓對于輸出電流的影響要大得多，因此對于任意的電源電壓，即使在數據手冊上找不到精確對應的條件，這種數據手冊示方法也能使設計者通過一組最接近的曲線來進行粗略的計算。

　　圖1能夠用來預測一個給定負載上的電壓擺幅。如果坐標軸是線性的，設計者只需要在圖1的特征曲線上加上一條負載曲線，通過這兩條曲線的交點就能確定電壓擺幅。但如圖所示，很多情況下，尤其當運放是滿擺幅輸出時，兩條坐標軸都使用對數坐標，以使得在輸出電流很小、輸出只有幾毫伏的情況下，曲線也能有較好的分辨率。在對數坐標下，負載曲線不再是一條簡單的直線，將不容易畫出。那么如何才能預測一個給定負載的輸出擺幅呢?

　　如果設計師愿意花些時間在器件性能和外部電路要求之間反復進行擺幅預測，會得到一個十分精確的結果。這里，我將利用一些實例說明如何進行這種預測。

　　圖2：預測給定負載上的輸出電壓擺幅的實例。

　　考慮如圖2a的應用，其中LMH6642被用來驅動一個RL=100Ω并與Vs/2(1/2電源電壓)相連的負載。假設此情況下LMH6642的輸出被偏置在Vs/2或5V：

　　問題是設計師能夠使用圖1中所示的LMH6642的數據來估計可能的最大輸出擺幅嗎?答案是肯定的。

　　為了估計擺幅，要創建一張表(表1)，它由輸出擺幅的初始猜測值開始(第2列)，接著是對猜測值的一系列修正(比較第3列和第5列，結果由第6列顯示)。

　　表1：使用迭代來預測圖2a的輸出擺幅(LMH6642)。

　　重復這一過程，直至在所給的條件下，器件特性與負載要求一致，便在第2列的底部得到了最終的結果，這樣就完成了對擺幅的估算。因此，表1中的反復結果顯示，圖2a中的電路能在100Ω的負載上產生最高8.75V的電壓。轉換成峰峰值是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項：對于圖2a中的電路，只能提供源電流。因此，只使用了圖1a。在每種情況下，在圖1中假設最差的溫度情況來計算第5列的數值。第5列中的數值是在圖1a中將第4列的值作為y軸，然后從圖中讀出的。第2列中的最終結果，也就是第4次迭代的值，還是一個近似解，因為第3列(87.5mA)中的數值仍比第5列(90mA)低。但是，圖中的分辨率已經不允許再對這個結果進行細調。

　　現在我們對剛才討論的實例稍做變化，假設LMH6642的輸出負載不變，但信號經過交流耦合的情況，如圖2b所示。預測輸出擺幅的方法與前面相同，只是由于交流耦合負載只能"看到"信號的擺幅，輸出電壓的直流分量(偏置)被交流耦合電容阻擋，因此表中的一些條目(第3列)需要被修改。此外，還要注意交流耦合負載需要LMH6642的輸出能接受和提供電流(與圖2a中只需要輸出提供電流的應用不同)。因此，選擇源電流和漏電流特征中較小的一個數值，填入表2中的第5列。