對(duì)于大多數(shù)集成電路，數(shù)據(jù)手冊(cè)中列出了最大電源電流。經(jīng)常被忽視的是測(cè)量條件。對(duì)于某些軌到軌輸出運(yùn)算放大器，某些工作可能導(dǎo)致電源電流比規(guī)定的最大值高2至10倍。無(wú)論是雙極還是CMOS，都給出了一些提示，說(shuō)明要尋找什么以查看這是否是一個(gè)問(wèn)題。

大多數(shù)集成電路數(shù)據(jù)手冊(cè)都有保證的最大電源電流，但不能總是將此數(shù)字用于最壞情況下的功率計(jì)算。眾所周知，CMOS數(shù)字器件的電源電流會(huì)隨著時(shí)鐘頻率的增加而增加，但模擬器件，特別是運(yùn)算放大器呢？您可以使用電源電流加上提供給負(fù)載的電流作為最大值嗎？（提示：并非總是如此...

運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)為閉環(huán)工作，而比較器為開(kāi)環(huán)工作。雖然這個(gè)簡(jiǎn)單的說(shuō)法是顯而易見(jiàn)的，但我們很少考慮違反這一點(diǎn)的后果。更常見(jiàn)的問(wèn)題是將運(yùn)算放大器作為比較器操作時(shí)。這很誘人，因?yàn)樵S多運(yùn)算放大器被設(shè)計(jì)為具有非常低的失調(diào)和非常低的噪聲，因此它們被壓在精密比較器中。當(dāng)運(yùn)算放大器上電±15 V，輸入信號(hào)在±10 V以內(nèi)時(shí)，這在一定程度上起作用，特別是如果增加了一些正遲滯以避免振蕩并加速通過(guò)不確定性區(qū)域的轉(zhuǎn)換。隨著軌到軌輸出運(yùn)算放大器的出現(xiàn)，這個(gè)問(wèn)題變得嚴(yán)重。

歷史

在數(shù)字世界中，NAND門，NOR門等具有獨(dú)特的MIL/ANSI符號(hào)，但在模擬世界中，由于某種未知原因，運(yùn)算放大器和比較器顯示為具有兩個(gè)輸入和一個(gè)輸出的三角形，“這已經(jīng)產(chǎn)生了所有差異”（2）。運(yùn)算放大器用作比較器已有相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間，關(guān)于比較器和用作比較器的運(yùn)算放大器的文章很多。早在 1967 年推出 LM101A 時(shí)，數(shù)據(jù)手冊(cè)就展示了將其用作比較器的應(yīng)用電路。教程MT-083 （3）很好地討論了比較器，涵蓋了比較器的指定方式以及比較器遲滯的必要性，但沒(méi)有討論使用運(yùn)算放大器作為比較器。Sylvan（4）討論了使用運(yùn)算放大器作為比較器時(shí)的一般考慮因素，但不具體討論軌到軌輸出運(yùn)算放大器。他確實(shí)警告了與共模輸入電壓相關(guān)的輸入差異，并談到了差模電壓的差異。Bryant（5）首先說(shuō)：“然而，使用運(yùn)算放大器作為比較器的最佳建議非常簡(jiǎn)單——不要！”然后介紹了需要考慮的各種事項(xiàng)，并得出結(jié)論，在某些應(yīng)用中，這可能是一個(gè)正確的工程決策。凱斯特（6）也警告不要使用運(yùn)算放大器作為比較器，并勉強(qiáng)承認(rèn)在少數(shù)情況下可能有意義。Moghimi （7）討論了運(yùn)算放大器和比較器之間的差異，警告說(shuō)，“細(xì)節(jié)決定成敗”，并在輸入保護(hù)二極管、反相和其他幾個(gè)運(yùn)算放大器特性方面做得非常出色，但認(rèn)為仔細(xì)注意這些細(xì)節(jié)是有回報(bào)的。他確實(shí)簡(jiǎn)要提到了RRO運(yùn)算放大器，但沒(méi)有提到電源電流。

隨著電源電壓的降低，用于保持較大電壓擺幅的方法之一是將經(jīng)典輸出級(jí)轉(zhuǎn)換為“軌到軌”輸出級(jí)。經(jīng)典輸出級(jí)如圖1所示。參考非軌到軌輸出，輸出只能達(dá)到正電源的約1 V。

圖1.經(jīng)典的雙極性輸出級(jí)。

為了更接近電源軌，輸出級(jí)晶體管改為通用發(fā)射極配置，如圖2所示。

圖2.雙極性軌到軌輸出。

“軌到軌”輸出并不是真正的軌到軌，但可以根據(jù)輸出晶體管的尺寸和負(fù)載電流，在電源的50 mV至100 mV范圍內(nèi)。

比較這兩個(gè)輸出級(jí)，有三件重要的事情需要注意：首先，經(jīng)典輸出級(jí)具有電流增益，但電壓增益小于1，并且輸出阻抗非常低。其次，軌到軌輸出級(jí)是一個(gè)共發(fā)射極級(jí)，因此具有電壓增益，大約gm×·L.RL由外部負(fù)載和輸出阻抗（RO）的晶體管。當(dāng)輸出工作在距離電源軌超過(guò)幾百毫伏的地方時(shí)，RO非常大，通?？梢院雎圆挥?jì)，但如果輸出靠近電源軌，則不能忽略。第三，輸出可以看作是經(jīng)典的雙晶體管比電流鏡。這是問(wèn)題的癥結(jié)所在。

在正常工作時(shí)，中間級(jí)將拉低基極集電極節(jié)點(diǎn)，將更多電流驅(qū)動(dòng)到負(fù)載中并提高電壓。對(duì)于負(fù)反饋，隨著輸出電壓的上升，輸入級(jí)和中間級(jí)將減少驅(qū)動(dòng)，直到閉環(huán)平衡。

當(dāng)用作比較器時(shí)，中間級(jí)將拉下基極集電極節(jié)點(diǎn)，試圖閉合環(huán)路，但沒(méi)有反饋，它繼續(xù)越來(lái)越用力地拉動(dòng)。該附加電流找到從正電源引腳到負(fù)電源引腳的路徑，并顯示為附加電源電流。驅(qū)動(dòng)輸出級(jí)有幾種不同的方式，再加上空穴和電子之間的遷移率差異，電源電流的增加通常不對(duì)稱。

為了量化這種效應(yīng)，我們從ADI公司及其三個(gè)主要模擬競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手處獲得了雙極性運(yùn)算放大器和CMOS運(yùn)算放大器。為了進(jìn)行比較，還包括古老的雙通道運(yùn)算放大器（非RRO）和LM393雙通道比較器。使用三個(gè)電路測(cè)量電源電流作為電源電壓的函數(shù)。圖3顯示了測(cè)量電源電流的經(jīng)典方法。電流表如圖所示連接，因此不包括電阻分壓器的電源電流。

圖3.

兩個(gè)電流表用于驗(yàn)證電源電流是否準(zhǔn)確，并且不包括通過(guò)輸入引腳的任何不需要的電流路徑。選擇電阻值是非臨界值，以確保運(yùn)算放大器的輸入在數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)格表中規(guī)定的輸入電壓范圍（IVR）內(nèi)。

要測(cè)量開(kāi)環(huán)時(shí)的電源電流，例如作為比較器工作，請(qǐng)參見(jiàn)圖4和圖5。一些低噪聲、雙極性運(yùn)算放大器的輸入之間有二極管以保護(hù)差分輸入對(duì)，因此最大差分電壓通常在絕對(duì)最大值表中表示為±0.7 V。如果有內(nèi)部串聯(lián)電阻，它們通常在500 Ω至2 kΩ范圍內(nèi)。絕對(duì)最大值表可能說(shuō)明最大差分電壓±電源電壓，但這并不意味著該器件工作。應(yīng)查閱簡(jiǎn)化的內(nèi)部原理圖。如果未提供，請(qǐng)快速致電制造商解決此問(wèn)題。在這兩種配置中，電阻值的選擇更為關(guān)鍵。電阻值應(yīng)足夠低，使差分輸入電壓至少為0.5 V，以保證輸出被硬力驅(qū)動(dòng)到電源軌中，但又足夠高，不會(huì)損壞內(nèi)部二極管。選擇的值將輸入電流限制在1 mA以下。

圖4.比較器，輸出低電平。

圖5.比較器，輸出高電平。

表1列出了數(shù)據(jù)手冊(cè)中的最大電源電流規(guī)格，運(yùn)算放大器作為跟隨器與V連接時(shí)測(cè)得的電源電流在電源引腳（圖3）與電源電流之間，輸出強(qiáng)制為低電平（圖4）和強(qiáng)制高電平（圖5）。

經(jīng)典運(yùn)算放大器和比較器

表 1 顯示經(jīng)典 LM358 和 LM393 表現(xiàn)良好，正如預(yù)期的那樣。

雙極性軌到軌運(yùn)算放大器

所有雙極性軌到軌輸出運(yùn)算放大器在一個(gè)或兩個(gè)比較器電路中的電源電流均大于“最大”運(yùn)算放大器電源電流。驅(qū)動(dòng)輸出級(jí)的方法有幾種，因此當(dāng)驅(qū)動(dòng)到一個(gè)電源軌或另一個(gè)電源軌時(shí)，某些方法會(huì)導(dǎo)致電源電流增加。如果不了解制造商的內(nèi)部原理圖，就無(wú)法對(duì)行為發(fā)表評(píng)論。

對(duì)于OP284，數(shù)據(jù)手冊(cè)中顯示了第二級(jí)和輸出級(jí)簡(jiǎn)化原理圖。參見(jiàn)圖 6。

圖6.

如果 V外由Q5/Q3/Q4驅(qū)動(dòng)，電源電流將是R4和R6值的函數(shù)。選擇這些值是為了最大限度地提高運(yùn)算放大器性能并最小化芯片面積，而不是比較器操作。當(dāng) V外由Q6/R1/Q1驅(qū)動(dòng)為低電平，電源電流將由R1決定。同樣，R1、I1等值是根據(jù)運(yùn)算放大器性能而不是比較器性能選擇的。

CMOS軌到軌運(yùn)算放大器

CMOS運(yùn)算放大器有一個(gè)有趣的特性。在某些情況下，電源電流在驅(qū)動(dòng)至電源軌時(shí)實(shí)際上會(huì)下降。CMOS運(yùn)算放大器的輸出級(jí)由公共源極PMOS和NMOS晶體管組成，增益由輸出級(jí)獲取。增益為 gm × RL，并得到合理的跨導(dǎo)值，驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)為將靜態(tài)電流設(shè)定為一定值。當(dāng)輸出被驅(qū)動(dòng)到電源軌時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路將減少互補(bǔ)晶體管上的驅(qū)動(dòng)。根據(jù)從頂部晶體管到底部晶體管的傳輸特性，電流實(shí)際上會(huì)降低。請(qǐng)注意，所選的四個(gè)CMOS運(yùn)算放大器在行為上存在很大差異。

最后，為了減小芯片尺寸并降低成本，一些電路（如偏置電路和相關(guān)啟動(dòng)電路）可能由兩個(gè)運(yùn)算放大器共享。如前所述（8），如果一個(gè)運(yùn)算放大器在其正常范圍之外工作并導(dǎo)致偏置電路發(fā)生故障，則另一個(gè)運(yùn)算放大器也會(huì)發(fā)生故障。

在電池供電系統(tǒng)或使用低電流串聯(lián)穩(wěn)壓器時(shí)，應(yīng)考慮額外的電源電流。電池壽命可能低于計(jì)算值，或者穩(wěn)壓器可能無(wú)法在所有條件下啟動(dòng)，尤其是在溫度范圍內(nèi)。

技巧

對(duì)于新設(shè)計(jì)，最簡(jiǎn)單的解決方案是“不要使用運(yùn)算放大器作為比較器！如果您必須或偶然使用一個(gè)作為比較器：

查看數(shù)據(jù)手冊(cè)，了解制造商是否有任何關(guān)于作為比較器運(yùn)行的信息。一些制造商正在添加此信息。

如果沒(méi)有該信息，請(qǐng)?jiān)儐?wèn)制造商是否有該信息。

如果他們無(wú)法提供，請(qǐng)使用前面顯示的電路自己測(cè)量多個(gè)日期代碼，并增加 50% 的安全系數(shù)。

總結(jié)

軌到軌輸出運(yùn)算放大器在用作比較器時(shí)具有獨(dú)特的特性。

延長(zhǎng)電池壽命和提高性能的最佳解決方案是在需要比較器功能時(shí)使用低成本比較器，將任何用過(guò)的運(yùn)算放大器部分作為跟隨器，將同相輸入連接到運(yùn)算放大器輸入電壓范圍內(nèi)的穩(wěn)定電壓，或者酌情使用單通道和雙通道而不是四通道。電源電流可能大大超過(guò)數(shù)據(jù)手冊(cè)中規(guī)定的“最大值”。在仔細(xì)考慮的條件下，未使用的運(yùn)算放大器可以用作比較器，但使用適當(dāng)?shù)倪\(yùn)算放大器和比較器組合將導(dǎo)致較低的電源電流和明確的性能。

審核編輯：郭婷