運算放大器輸出驅(qū)動能力的方法分析(一)

在電路中選擇運算放大器(運放)來實現(xiàn)某一特定功能時，最具挑戰(zhàn)性的選擇標準之一是輸出電流或負載驅(qū)動能力。運放的大多數(shù)性能參數(shù)通常都會在數(shù)據(jù)手冊、性能圖或應(yīng)用指南中明確地給出。設(shè)計者須根據(jù)輸出電流并同時參考運放的其他各類參數(shù)，以滿足數(shù)據(jù)手冊中所規(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，這使得運放的設(shè)計和應(yīng)用變得更加復(fù)雜。本文將通過一些實例講解如何根據(jù)運放的性能參數(shù)對所需進行設(shè)計的電路的驅(qū)動能力進行評估，從而幫助設(shè)計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載驅(qū)動能力。

　　哪些因素影響驅(qū)動能力

　　輸出驅(qū)動能力是一系列內(nèi)部和外部設(shè)定值或條件的函數(shù)。輸出級的偏置電流、驅(qū)動級、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現(xiàn)某一特定的功能，設(shè)計者就無法再改變這些影響輸出驅(qū)動能力的內(nèi)部條件。大多數(shù)低功耗運放的輸出驅(qū)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(qū)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(qū)動能力。

　　傳統(tǒng)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(qū)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(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，當估計器件的輸出電流能力時，器件之間的性能波動也應(yīng)考慮在內(nèi)。因此設(shè)計者在基于"典型的"數(shù)據(jù)手冊規(guī)范選擇器件的同時，還必須考慮"限值"和"最小"規(guī)范，以確保所使用的每個器件在生產(chǎn)時都具有足夠的驅(qū)動能力。

　　除上面所列的內(nèi)部因素之外，一些外部因素也會影響驅(qū)動能力。其中一些能夠被控制，以優(yōu)化輸出驅(qū)動能力，而其余的就很難控制。下面列出了影響輸出驅(qū)動能力的外部因素：相對于相應(yīng)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(qū)動電壓;總電源電壓;直流與交流耦合負載;結(jié)溫。

　　輸出驅(qū)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(shù)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(yīng)用中，輸出級驅(qū)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(shù)據(jù)來有效地預(yù)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(qū)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(shù)據(jù)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(fā)生兩個情況：運放的輸出電壓余量減小;運放的輸入過驅(qū)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(shè)計有關(guān)，如后者中所述，過驅(qū)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(dǎo)體公司的LMH6642的輸出電流和輸出電壓圖。對于大多數(shù)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(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。另一個原因是由于電壓余量比總