對于大多數(shù)集成電路，數(shù)據(jù)手冊中列出了最大電源電流。經(jīng)常被忽視的是測量條件。對于某些軌到軌輸出運算放大器，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。無論是雙極還是CMOS，都給出了一些提示，說明要尋找什么以查看這是否是一個問題。

大多數(shù)集成電路數(shù)據(jù)手冊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算。眾所周知，CMOS數(shù)字器件的電源電流會隨著時鐘頻率的增加而增加，但模擬器件，特別是運算放大器呢？您可以使用電源電流加上提供給負載的電流作為最大值嗎？（提示：并非總是如此...

運算放大器設(shè)計為閉環(huán)工作，而比較器為開環(huán)工作。雖然這個簡單的說法是顯而易見的，但我們很少考慮違反這一點的后果。更常見的問題是將運算放大器作為比較器操作時。這很誘人，因為許多運算放大器被設(shè)計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。當運算放大器上電±15 V，輸入信號在±10 V以內(nèi)時，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不確定性區(qū)域的轉(zhuǎn)換。隨著軌到軌輸出運算放大器的出現(xiàn)，這個問題變得嚴重。

歷史

在數(shù)字世界中，NAND門，NOR門等具有獨特的MIL/ANSI符號，但在模擬世界中，由于某種未知原因，運算放大器和比較器顯示為具有兩個輸入和一個輸出的三角形，“這已經(jīng)產(chǎn)生了所有差異”（2）。運算放大器用作比較器已有相當長的一段時間，關(guān)于比較器和用作比較器的運算放大器的文章很多。早在 1967 年推出 LM101A 時，數(shù)據(jù)手冊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，但沒有討論使用運算放大器作為比較器。Sylvan（4）討論了使用運算放大器作為比較器時的一般考慮因素，但不具體討論軌到軌輸出運算放大器。他確實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：“然而，使用運算放大器作為比較器的最佳建議非常簡單——不要！”然后介紹了需要考慮的各種事項，并得出結(jié)論，在某些應(yīng)用中，這可能是一個正確的工程決策。凱斯特（6）也警告不要使用運算放大器作為比較器，并勉強承認在少數(shù)情況下可能有意義。Moghimi （7）討論了運算放大器和比較器之間的差異，警告說，“細節(jié)決定成敗”，并在輸入保護二極管、反相和其他幾個運算放大器特性方面做得非常出色，但認為仔細注意這些細節(jié)是有回報的。他確實簡要提到了RRO運算放大器，但沒有提到電源電流。

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)典輸出級轉(zhuǎn)換為“軌到軌”輸出級。經(jīng)典輸出級如圖1所示。參考非軌到軌輸出，輸出只能達到正電源的約1 V。

圖1.經(jīng)典的雙極性輸出級。

為了更接近電源軌，輸出級晶體管改為通用發(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載電流，在電源的50 mV至100 mV范圍內(nèi)。

比較這兩個輸出級，有三件重要的事情需要注意：首先，經(jīng)典輸出級具有電流增益，但電壓增益小于1，并且輸出阻抗非常低。其次，軌到軌輸出級是一個共發(fā)射極級，因此具有電壓增益，大約gm×·L.RL由外部負載和輸出阻抗（RO）的晶體管。當輸出工作在距離電源軌超過幾百毫伏的地方時，RO非常大，通常可以忽略不計，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。這是問題的癥結(jié)所在。

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

當用作比較器時，中間級將拉下基極集電極節(jié)點，試圖閉合環(huán)路，但沒有反饋，它繼續(xù)越來越用力地拉動。該附加電流找到從正電源引腳到負電源引腳的路徑，并顯示為附加電源電流。驅(qū)動輸出級有幾種不同的方式，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稱。

為了量化這種效應(yīng)，我們從ADI公司及其三個主要模擬競爭對手處獲得了雙極性運算放大器和CMOS運算放大器。為了進行比較，還包括古老的雙通道運算放大器（非RRO）和LM393雙通道比較器。使用三個電路測量電源電流作為電源電壓的函數(shù)。圖3顯示了測量電源電流的經(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.

兩個電流表用于驗證電源電流是否準確，并且不包括通過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，以確保運算放大器的輸入在數(shù)據(jù)手冊規(guī)格表中規(guī)定的輸入電壓范圍（IVR）內(nèi)。

要測量開環(huán)時的電源電流，例如作為比較器工作，請參見圖4和圖5。一些低噪聲、雙極性運算放大器的輸入之間有二極管以保護差分輸入對，因此最大差分電壓通常在絕對最大值表中表示為±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)。絕對最大值表可能說明最大差分電壓±電源電壓，但這并不意味著該器件工作。應(yīng)查閱簡化的內(nèi)部原理圖。如果未提供，請快速致電制造商解決此問題。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)動到電源軌中，但又足夠高，不會損壞內(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)手冊中的最大電源電流規(guī)格，運算放大器作為跟隨器與V連接時測得的電源電流在電源引腳（圖3）與電源電流之間，輸出強制為低電平（圖4）和強制高電平（圖5）。

經(jīng)典運算放大器和比較器

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

雙極性軌到軌運算放大器

所有雙極性軌到軌輸出運算放大器在一個或兩個比較器電路中的電源電流均大于“最大”運算放大器電源電流。驅(qū)動輸出級的方法有幾種，因此當驅(qū)動到一個電源軌或另一個電源軌時，某些方法會導(dǎo)致電源電流增加。如果不了解制造商的內(nèi)部原理圖，就無法對行為發(fā)表評論。

對于OP284，數(shù)據(jù)手冊中顯示了第二級和輸出級簡化原理圖。參見圖 6。

圖6.

如果 V外由Q5/Q3/Q4驅(qū)動，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算放大器性能并最小化芯片面積，而不是比較器操作。當 V外由Q6/R1/Q1驅(qū)動為低電平，電源電流將由R1決定。同樣，R1、I1等值是根據(jù)運算放大器性能而不是比較器性能選擇的。

CMOS軌到軌運算放大器

CMOS運算放大器有一個有趣的特性。在某些情況下，電源電流在驅(qū)動至電源軌時實際上會下降。CMOS運算放大器的輸出級由公共源極PMOS和NMOS晶體管組成，增益由輸出級獲取。增益為 gm × RL，并得到合理的跨導(dǎo)值，驅(qū)動電路設(shè)計為將靜態(tài)電流設(shè)定為一定值。當輸出被驅(qū)動到電源軌時，驅(qū)動電路將減少互補晶體管上的驅(qū)動。根據(jù)從頂部晶體管到底部晶體管的傳輸特性，電流實際上會降低。請注意，所選的四個CMOS運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)啟動電路）可能由兩個運算放大器共享。如前所述（8），如果一個運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，則另一個運算放大器也會發(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，應(yīng)考慮額外的電源電流。電池壽命可能低于計算值，或者穩(wěn)壓器可能無法在所有條件下啟動，尤其是在溫度范圍內(nèi)。

技巧

對于新設(shè)計，最簡單的解決方案是“不要使用運算放大器作為比較器！如果您必須或偶然使用一個作為比較器：

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

如果沒有該信息，請詢問制造商是否有該信息。

如果他們無法提供，請使用前面顯示的電路自己測量多個日期代碼，并增加 50% 的安全系數(shù)。

總結(jié)

軌到軌輸出運算放大器在用作比較器時具有獨特的特性。

延長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使用低成本比較器，將任何用過的運算放大器部分作為跟隨器，將同相輸入連接到運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數(shù)據(jù)手冊中規(guī)定的“最大值”。在仔細考慮的條件下，未使用的運算放大器可以用作比較器，但使用適當?shù)倪\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