?了解操作電流中的輸出信號(hào)擺幅

了解運(yùn)算放大器輸出電壓范圍的特性和限制。

運(yùn)算放大器，或“運(yùn)算放大器”，是大量模擬設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。正如我們?cè)谏弦黄恼轮辛私獾降哪菢?，所有?shí)際的運(yùn)算放大器都對(duì)輸入信號(hào)的允許電壓范圍（輸入信號(hào)擺幅）和輸出信號(hào)的可用電壓范圍（輸出信號(hào)擺幅）進(jìn)行了限制。之前，我們討論了輸入擺幅規(guī)格，包括如何解釋它們以及如果超出它們會(huì)發(fā)生什么。在本文中，我們將關(guān)注輸出電壓范圍。

輸出電壓規(guī)格表示輸出信號(hào)達(dá)到其飽和極限的點(diǎn)，這意味著電壓不能更接近電源軌。然后，信號(hào)被稱(chēng)為“削波”。信號(hào)削波的示例如圖1所示，圖1描述了當(dāng)由2.5伏和–2.5伏供電時(shí)LT1880運(yùn)算放大器的模擬輸出飽和度。

運(yùn)算放大器輸出飽和產(chǎn)生削波信號(hào)。

?圖1。運(yùn)算放大器輸出飽和度產(chǎn)生一個(gè)削波信號(hào)。圖片由提供

飽和導(dǎo)致輸入波形和輸出波形之間完全失去對(duì)應(yīng)關(guān)系。然而，即使在達(dá)到飽和點(diǎn)之前，輸出振蕩性能也會(huì)降低。當(dāng)輸出信號(hào)接近數(shù)據(jù)表中規(guī)定的極限時(shí)，要求非常低失真的應(yīng)用可能會(huì)受到細(xì)微非線(xiàn)性的負(fù)面影響。如果不能使用模擬或?qū)嶒?yàn)室測(cè)試來(lái)驗(yàn)證失真性能是否可接受，那么假設(shè)輸出信號(hào)需要與飽和度極限保持幾百毫伏的距離是一個(gè)好主意。

與輸入電壓范圍一樣，輸出電壓范圍取決于運(yùn)算放大器的電源電壓，并與較高電壓（V+）和較低電壓（V-）的電源軌相關(guān)。在下一部分中，我們將仔細(xì)研究這些規(guī)范。

閱讀數(shù)據(jù)表

表1給出了模擬設(shè)備LT1880的輸出擺幅規(guī)格，與我們上面模擬的性能相同。Analog Devices將這種運(yùn)算放大器描述為提供軌對(duì)軌輸出擺幅。

?表1。LT的輸出振蕩。數(shù)據(jù)由Analog Devices提供

模擬設(shè)備LT1880運(yùn)算放大器的輸出信號(hào)擺幅規(guī)格。

閱讀本表時(shí)，請(qǐng)牢記以下內(nèi)容：

VOL值表示相對(duì)于V型供電軌的擺幅（0V）。VOH同樣與V+相關(guān)。

“典型”和“最大”欄不描述典型和最大輸出電壓，而是描述輸出電壓偏差。

僅給出偏差量，不給出方向。

以下兩個(gè)方程式分別表示規(guī)定輸出電壓范圍的上限和下限：

這些方程式提醒我們，制造商使用“軌對(duì)軌”這一術(shù)語(yǔ)時(shí)有點(diǎn)過(guò)于寬松。即使在沒(méi)有負(fù)載電流的情況下，輸出也不能一直振蕩到任何一個(gè)電壓軌，并且隨著輸出電流的增加，間隙大幅擴(kuò)大。在本文的后面，我們將詳細(xì)討論輸出電流對(duì)可用輸出擺幅的影響。現(xiàn)在，讓我們來(lái)看數(shù)據(jù)表的不同部分。

輸出擺幅圖

在描述輸出擺幅限制時(shí)，數(shù)據(jù)表規(guī)格表僅使用少數(shù)負(fù)載電流條件實(shí)例。通過(guò)檢查數(shù)據(jù)表中的性能圖，我們可以更完整地了解運(yùn)算放大器的輸出振蕩能力。

這些信息的準(zhǔn)確報(bào)告方式在裝置之間有所不同。例如，圖2和圖3分別描繪了來(lái)自模擬設(shè)備的兩個(gè)不同運(yùn)算放大器LT1224和LT6023的輸出擺幅特性。

LT1224的輸出電壓擺幅與負(fù)載電阻。

?圖2。LT1224的輸出電壓擺幅與負(fù)載電阻。圖像由Analog Devices提供

LT6023的輸出飽和電壓與負(fù)載電流。

?圖3。LT6023的輸出飽和電壓與負(fù)載電流。圖像由Analog Devices提供

LT1224的數(shù)據(jù)表報(bào)告了相對(duì)于負(fù)載電阻的峰-峰值電壓振蕩。相反，LT6023的數(shù)據(jù)表報(bào)告了“飽和電壓”，這似乎是飽和極限和電源電壓之間的差異，代替了電壓振蕩。它也使用電流而不是電阻作為自變量。

圖4取自得克薩斯儀器公司OPA277數(shù)據(jù)表，使用不同的視覺(jué)格式繪制電壓擺幅與電流的關(guān)系。我個(gè)人認(rèn)為它清晰簡(jiǎn)潔。

OPA277的輸出電壓振蕩與輸出電流。

?圖4。OPA277的輸出電壓振蕩與輸出電流。圖片由Texas Instruments提供

輸出擺幅與負(fù)載電流

正如我們?cè)跀?shù)據(jù)表摘錄中所研究的那樣，輸出波形可用的電壓范圍并不是一個(gè)在所有操作條件下都有效的單一規(guī)范。相反，它受到運(yùn)算放大器產(chǎn)生或下沉的電流量的顯著影響。隨著更多的電流流過(guò)輸出端子，連接在運(yùn)算放大器的功率節(jié)點(diǎn)及其輸出節(jié)點(diǎn)之間的半導(dǎo)體組件上的電壓降得更多。

負(fù)載阻抗和輸出范圍之間的關(guān)系根據(jù)用于輸出級(jí)的半導(dǎo)體技術(shù)而不同。例如，圖5顯示了用于TL08x集成電路中的運(yùn)算放大器的簡(jiǎn)化示意圖。輸入級(jí)采用場(chǎng)晶體管；。

TL08x集成電路內(nèi)部使用的運(yùn)算放大器的簡(jiǎn)化示意圖。

?圖5。TL運(yùn)算的簡(jiǎn)化示意圖。圖片由Tony R.Kuphalt提供

雙極輸出級(jí)通常需要至少200 mV的雙極結(jié)型晶體管的近似飽和電壓——在輸出電壓和供電軌之間。CMOS輸出級(jí)可以提供低得多的漏極到源極電壓，但是其負(fù)載電流依賴(lài)性更嚴(yán)重。這是因?yàn)?，NMOS或PMOS晶體管的溝道起到了電阻器的作用，隨著負(fù)載電流的增加而降低越來(lái)越多的電壓。雙極晶體管的飽和電壓不是由電阻工作模式產(chǎn)生的，所以它相對(duì)于輸出電流是相對(duì)穩(wěn)定的。

總結(jié)

運(yùn)算放大器是多功能組件，通?？梢栽诓恍枰獜?fù)雜模擬或通過(guò)長(zhǎng)途跋涉的查閱數(shù)據(jù)手冊(cè)即可實(shí)現(xiàn)。然而，有時(shí)運(yùn)算放大器的非理想行為會(huì)顯著影響性能。因此，我們需要在設(shè)計(jì)過(guò)程中研究和解決這些問(wèn)題。我希望本系列能夠幫助您了解一些管理運(yùn)算放大器輸入和輸出信號(hào)的要點(diǎn)。