運算放大器功率耗散的首要問題-II

　　在將一個運算放大器設(shè)計成為全新應(yīng)用時經(jīng)常被問到的兩個問題是：

　　1.他的功率耗散“典型值”是多少?在我的第一個帖子進(jìn)行了介紹。

　　2.他的功率耗散“最大值”是多少?

　　應(yīng)該在目標(biāo)電路中評估運算放大器的最大功率。我們假定放大器運行的第一種情況是這樣的。我們將最低負(fù)載電阻RL加載到輸出上，正如OPA 316電氣特性表中所列出的那樣。這個表格中列出的值為2 k?(紅色橢圓中的值)。

　　當(dāng)VS和 IQ為最大值，并且輸出被偏置到Vs+電源電壓一半的dc電平時，將出現(xiàn)最大功率耗散。圖2顯示出OPA316被配置為單電源，非反向放大器。其輸出正在驅(qū)動一個對地為2 kΩ的等效負(fù)載，此負(fù)載由RL與RF和RI串聯(lián)形成的電阻并聯(lián)而成。此非反向輸入由一個+1.375Vdc電源驅(qū)動，由于有2倍增益，這個值在輸出上表現(xiàn)為2.75V。OPA316的輸出晶體管中的一個使電流流經(jīng)對地為2kΩ等效負(fù)載電阻，RL(EQV)。在其源極和漏極之間有2.75V電壓。

　　圖2顯示了用來確定OPA316功率耗散的電路。

　　圖2 –驅(qū)動2kΩ(等效)負(fù)載時OPA316的功率耗散

　　此放大器功率耗散的計算方法為：

　　計算出傳遞給負(fù)載的電流IO

　　VO=2.75 V, RL= 5 k?,RF= 1.67 k?,Ri= 1.67 k?

　　IO= IRL+ IFB=(VO/ RL)+[VO/ (RF+ Ri)] = (2.75 V/ 5 k?) + [2.75 V/ 2(1.67 k?)]

　　IO= 550 uA + 832.4 uA = 1.373 mA

　　Iq(max)= 500 uA(來自數(shù)據(jù)表)

　　PD(max)= [(Vs+) * Iq(max)] + [((Vs+) - VO) * IO] = [(5.5 V) (500 uA)] + [(5.5 V - 2.75 V) * 1.373 mA] = 6.5 mW

　　功率耗散很低，只是靜態(tài)水平的大約3.2倍。這也許不是用戶正在尋找的最差耗散情況，但卻是個好的開始。

　　最差情況經(jīng)常在輸出被短接到地或短接到電源軌時出現(xiàn)。目前類似于OPA316的運算放大器的額定值能夠耐受短接至地的輸出，而不被損壞。OPA316短路信息在絕對最大值額定值數(shù)據(jù)表中列出。

　　輸出電流Io不受限制，但是具有有限的短路電流值，Isc;放大器在對地短接時能夠傳送的最大電流。內(nèi)部輸出晶體管特性以及電路設(shè)計規(guī)定了Isc的值。上面顯示的電氣特性表列出OPA316的Isc值為±50mA(藍(lán)色橢圓內(nèi)的值)。

　　由于輸出被強制為0V，沒有電流流經(jīng)反饋路徑電阻器，或者說是RL。全部電路功率由OPA316在內(nèi)部消耗掉。圖3顯示了一個短路連接。需要注意的是，整個5.5V電源電壓被強加在拉出Isc電流的輸出晶體管上。其功率耗散PD(XSTR)會很大。

　　圖3-輸出短路情況下的OPA316

　　現(xiàn)在在輸出短路的情況下計算PD：

　　IO= ISC≈ 50 mA

　　PD(XSTR)= V(XSTR)? ISC= 5.5 V (50 mA) = 275 mW

　　PQ(MAX)= (Vs+) IQ(MAX)= 5.5 V ? 500 uA = 2.75 mW

　　PD(MAX)= PQ(MAX)+ PD(XSTR)= 2.75 mW + 275 mW = 278 mW

　　這個PD電平是從線性dc負(fù)載示例中獲得的電平的43倍。

　　但是放大器在這種情況下能正常使用嗎?晶體管結(jié)溫，Tj的計算結(jié)果應(yīng)該會告訴我們答案：

　　Tj=Ta+ PD?θja

　　Ta= 環(huán)境溫度，典型值25 °C

　　θja= 熱阻抗，263 °C/W

　　θja值在采用SC70-5封裝的OPA316熱信息表中列出

　　Tj=25 °C + (0.278 W)(263 °C/W) = 98.1 °C

　　這一值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于數(shù)據(jù)表中列出的150 °C Tj最大值。運算放大器應(yīng)該還可以。Tj會接近150 °C的唯一可能情況就是Ta已經(jīng)升高了50 °C。

　　簡單dc分析技術(shù)可以幫助用戶理解他們應(yīng)用電路中所使用的運算放大器的功率耗散。此數(shù)據(jù)表經(jīng)常提供執(zhí)行這些計算所需要的全部內(nèi)容。涉及ac信號的功率耗散確定會更加復(fù)雜，這是因為其中的時間要素。這樣的分析通常要采用積分技巧。然而，dc分析將常常提供最差情況的耗散信息。