??對于大多數(shù)IC（），數(shù)據(jù)手冊上都會列出最大電源電流，但人們常常對其測量條件視而不見。對于某些軌到軌輸出運算放大器，某些操作可能會導(dǎo)致電源電流比規(guī)定的最大值高出2到10倍。本文探討在確定是否應(yīng)當關(guān)注最大電源電流時，需要考慮哪些方面；本文的討論對雙極性和CMOS運算放大器均適用。 ??幾乎所有IC的數(shù)據(jù)手冊都會提供保證最大電源電流值，但該值并不總是能夠用來計算最差情況的功耗。眾所周知，CMOS數(shù)字器件的電源電流隨著時鐘頻率的提高而提高，但模擬器件，特別是運算放大器會如何呢？可以使用電源電流加上供應(yīng)給負載的電流作為最大值嗎？（提示：并不盡然。..。.） ??運算放大器以閉環(huán)形式工作，而比較器則以開環(huán)形式工作。雖然這一原則十分簡單并且顯而易見，但我們很少思考違反原則會帶來什么后果。出現(xiàn)相對較多的問題是將運算放大器用作比較器，因為許多運算放大器的失調(diào)和噪聲均非常低，常常會誘使我們將其用作精密比較器。 ??當運算放大器采用±15V電源供電，并且輸入信號在±10V范圍內(nèi)時，將其用作比較器有時是可行的，特別是如果增加一些正遲滯來避免振蕩并加快不確定區(qū)域的過渡。但隨著軌到軌輸出運算放大器的出現(xiàn)，問題開始變得嚴重。參考文獻1對輸入和輸出級做了很好的闡釋。 ? ??歷史回顧 ? ??在數(shù)字世界，NAND門、NOR門和其它數(shù)字功能的MIL/ANSI符號截然不同。但在模擬世界，不知是何原因，運算放大器和比較器均顯示為一個帶兩路輸入和一路輸出的三角形，“這種表示方法影響深遠”（參考文獻2）。運算放大器用作比較器已有很長時間，關(guān)于比較器和用作比較器的運算放大器，已有許多論文做過探討： ??* 早在1967年，當推出LM101A時，其數(shù)據(jù)手冊顯示的應(yīng)用電路中就是用作比較器。 ??* MT-083（參考文獻3）對比較器進行了比較全面的綜述，包括放大器的性能指標和為何需要遲滯，但并未討論將運算放大器用作比較器的情況。 ??* Sylvan（參考文獻4）討論了運算放大器用作比較器時的一般考慮因素，但并未特別討論軌到軌輸出運算放大器。他確實提醒過大家應(yīng)當注意輸入相對于共模輸入電壓的差異，并涉及到差模電壓的差別。 ??* Bryant（參考文獻5）開宗明義：“然而，關(guān)于將運算放大器用作比較器的最佳建議非常簡單--不要這樣做！”，然后說明了多個需要考慮的問題，最后總結(jié)道：在某些應(yīng)用中，這可能是一個正確的設(shè)計決策。Kester（參考文獻6）同樣反對將運算放大器用作比較器，但也勉強承認，有些情況下這可能行得通。 ??* Moghimi（參考文獻7）討論了運算放大器與比較器的區(qū)別，警告說“魔鬼就藏在細節(jié)中”，并且非常清楚地解釋了輸入保護二極管、反相和運放的多個其它特性，但他認為，小心處理這些細節(jié)還是可以有效解決的。他確實簡要提及了軌到軌輸出運算放大器，但未談到電源電流。 ??隨著電源電壓減小，用來保持較大電壓擺幅的方法之一是將傳統(tǒng)輸出級變?yōu)椤败壍杰墶陛敵黾墶D1所示為一個傳統(tǒng)輸出級，可以稱之為非軌到軌輸出級，其輸出只能達到正電源的1V范圍內(nèi)。 ? ?? ??圖1：傳統(tǒng)雙極性輸出級 ? ??為了更接近供電軌，輸出級晶體管變?yōu)楣舶l(fā)射極配置，如圖2所示。 ? ?? ??圖2：雙極性軌到軌輸出 ? ??“軌到軌”輸出并非真正的“軌到軌”，但是可以達到電源電壓的50-100 mV范圍內(nèi)，具體取決于輸出晶體管的大小和負載電流。 ??比較這兩個輸出級，有三點值得特別注意： ??* 第一，傳統(tǒng)輸出級具有電流增益、小于1的電壓增益和非常低的輸出阻抗。 ??* 第二，軌到軌輸出級是共發(fā)射極輸出級，因而具有電壓增益，約為gm×RL。RL由外部負載和晶體管的輸出阻抗（RO）組成。當輸出與供電軌相差數(shù)百毫伏以上時，RO非常大，通常可以忽略不計，但如果輸出接近供電軌，則不能忽略。 ??* 第三，可以將輸出看作傳統(tǒng)的雙晶體管比例式電流鏡，這是問題的癥結(jié)所在。 ??在正常工作中，中間級會拉低基極-集電極節(jié)點，將更多電流驅(qū)動到負載，從而提高電壓。在負反饋下，隨著輸出電壓升高，輸入級和中間級將降低驅(qū)動電流，直到閉環(huán)平衡。 ??當用作比較器時，中間級會拉低基極-集電極節(jié)點，試圖封閉環(huán)路，但由于沒有反饋，它將越拉越厲害。這一額外電流找到一條路徑從正電源引腳流到負電源引腳，以額外電源電流的形式出現(xiàn)。驅(qū)動輸出級的方法有多種，而且空穴和電子的遷移率存在差異，因此電源電流的提高通常不對稱。 ? ??動手試驗 ? ??為了量化這一效應(yīng)，筆者從ADI公司及三家主要模擬器件競爭廠商各獲得了一個雙極性運算放大器和一個CMOS運算放大器。為了進行比較，試驗中還包括歷史悠久的雙通道運算放大器LM358（非軌到軌輸出）和雙通道比較器LM393。使用三個電路，測量與電源電壓呈函數(shù)關(guān)系的電源電流。 ??圖3是用于測量電源電流的經(jīng)典方法。電流表按圖示進行連接，以便剔除阻性分壓器的電源電流。 ? ?? ??圖3：測量電源電流 ? ??使用兩塊電流表，以便確認電源電流是準確的，并且不包括通過輸入引腳的任何無關(guān)電流路徑。電阻值無關(guān)緊要，所選值只需確保運算放大器的輸入在數(shù)據(jù)手冊技術(shù)規(guī)格表規(guī)定的輸入電壓范圍（IVR）內(nèi)。 ??為了測量開環(huán)下的電源電流，例如作為比較器工作時，使用圖4和圖5所示電路。某些低噪聲雙極性運放的輸入端之間具有二極管，用以保護差分輸入對，因此“絕對最大額定值”表中規(guī)定的最大差分電壓通常是±0.7 V。如果有內(nèi)部串聯(lián)電阻，其值通常在500 ？到2 k？范圍內(nèi)。 ??“絕對最大額定值”表可能將最大差分電壓規(guī)定為正負電源電壓，但這并不意味著器件能夠在這種條件下工作。應(yīng)當參考器件的簡化內(nèi)部原理圖，如果沒有提供，可以詢問制造商。 ??在這兩種配置中，電阻值的選擇比前一種情況略顯重要。電阻值應(yīng)足夠低，使得差分輸入電壓至少為0.5V，以保證輸出被盡力驅(qū)動到供電軌，同時應(yīng)足夠高，不至于損壞內(nèi)部二極管。所選值應(yīng)將輸入電流限制在1mA以下。 ? ??