導讀: 對于某些軌到軌輸出運算放大器，某些操作可能會(huì )導致電源電流比規定的最大值高出2到10倍。本文探討在確定是否應當關(guān)注最大電源電流時(shí)，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。

對于大多數IC（集成電路），數據手冊上都會(huì )列出最大電源電流，但人們常常對其測量條件視而不見(jiàn)。對于某些軌到軌輸出運算放大器，某些操作可能會(huì )導致電源電流比規定的最大值高出2到10倍。本文探討在確定是否應當關(guān)注最大電源電流時(shí)，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的數據手冊都會(huì )提供保證最大電源電流值，但該值并不總是能夠用來(lái)計算最差情況的功耗。眾所周知，CMOS數字器件的電源電流隨著(zhù)時(shí)鐘頻率的提高而提高，但模擬器件，特別是運算放大器會(huì )如何呢？可以使用電源電流加上供應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(kāi)環(huán)形式工作。雖然這一原則十分簡(jiǎn)單并且顯而易見(jiàn)，但我們很少思考違反原則會(huì )帶來(lái)什么后果。出現相對較多的問(wèn)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和噪聲均非常低，常常會(huì )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范圍內時(shí)，將其用作比較器有時(shí)是可行的，特別是如果增加一些正遲滯來(lái)避免振蕩并加快不確定區域的過(guò)渡。但隨著(zhù)軌到軌輸出運算放大器的出現，問(wèn)題開(kāi)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

　　在數字世界，NAND門(mén)、NOR門(mén)和其它數字功能的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(gè)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(cháng)時(shí)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(guò)探討：

　　* 早在1967年，當推出LM101A時(shí)，其數據手冊顯示的應用電路中就是用作比較器。

　　* MT-083（參考文獻3）對比較器進(jìn)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(shí)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(shí)提醒過(guò)大家應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(kāi)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(jiǎn)單--不要這樣做！”，然后說(shuō)明了多個(gè)需要考慮的問(wèn)題，最后總結道：在某些應用中，這可能是一個(gè)正確的設計決策。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別，警告說(shuō)“魔鬼就藏在細節中”，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(gè)其它特性，但他認為，小心處理這些細節還是可以有效解決的。他確實(shí)簡(jiǎn)要提及了軌到軌輸出運算放大器，但未談到電源電流。

　　隨著(zhù)電源電壓減小，用來(lái)保持較大電壓擺幅的方法之一是將傳統輸出級變?yōu)?ldquo;軌到軌”輸出級。圖1所示為一個(gè)傳統輸出級，可以稱(chēng)之為非軌到軌輸出級，其輸出只能達到正電源的1V范圍內。

　　圖1：傳統雙極性輸出級

　　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，具體取決于輸出晶體管的大小和負載電流。

　　比較這兩個(gè)輸出級，有三點(diǎn)值得特別注意：

　　* 第一，傳統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百毫伏以上時(shí)，RO非常大，通�？梢院雎圆挥�，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的雙晶體管比例式電流鏡，這是問(wèn)題的癥結所在。

　　在正常工作中，中間級會(huì )拉低基極-集電極節點(diǎn)，將更多電流驅動(dòng)到負載，從而提高電壓。在負反饋下，隨著(zhù)輸出電壓升高，輸入級和中間級將降低驅動(dòng)電流，直到閉環(huán)平衡。

　　當用作比較器時(shí)，中間級會(huì )拉低基極-集電極節點(diǎn)，試圖封閉環(huán)路，但由于沒(méi)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。驅動(dòng)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(chēng)。

　　動(dòng)手試驗

　　為了量化這一效應，筆者從ADI公司及三家主要模擬器件競爭廠(chǎng)商各獲得了一個(gè)雙極性運算放大器和一個(gè)CMOS運算放大器。為了進(jìn)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(gè)電路，測量與電源電壓呈函數關(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(jìn)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(guò)輸入引腳的任何無(wú)關(guān)電流路徑。電阻值無(wú)關(guān)緊要，所選值只需確保運算放大器的輸入在數據手冊技術(shù)規格表規定的輸入電壓范圍（IVR）內。

　　為了測量開(kāi)環(huán)下的電源電流，例如作為比較器工作時(shí)，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”表中規定的最大差分電壓通常是±0.7 V。如果有內部串聯(lián)電阻，其值通常在500 ？到2 k？范圍內。

　　“絕對最大額定值”表可能將最大差分電壓規定為正負電源電壓，但這并不意味著(zhù)器件能夠在這種條件下工作。應當參考器件的簡(jiǎn)化內部原理圖，如果沒(méi)有提供，可以詢(xún)問(wèn)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動(dòng)到供電軌，同時(shí)應足夠高，不至于損壞內部二極管。所選值應將輸入電流限制在1mA以下。

　　圖4：比較器、低電平輸出

　　圖5：比較器、高電平輸出

　　表1列出了以下內容：

　　1） 數據手冊的最大電源電流規格

　　2） 在以下條件下測得的電源電流：運算放大器連接為跟隨器，Vin為兩個(gè)電源引腳電壓的中間電壓（圖3）

　　3） 輸出驅動(dòng)到低電平時(shí)的電源電流（圖4）

　　4） 輸出驅動(dòng)到高電平時(shí)的電源電流（圖5）

　　表1 傳統運算放大器和比較器

　　表1顯示，傳統器件LM358和LM393的表現一如預期。

　　雙極性軌到軌運算放大器

　　對于雙極性軌到軌輸出運算放大器，其電源電流均大于一個(gè)或兩個(gè)比較器電路中的“最大”運放電源電流。驅動(dòng)輸出級的方法有多種，將輸出驅動(dòng)到一個(gè)或另一個(gè)供電軌時(shí)，某些方法會(huì )導致電源電流升高。（由于不熟悉其它制造商的內部原理圖，筆者無(wú)法評論該現象。）

　　對于OP284，數據手冊給出了第二級和輸出級的原理示意圖，參見(jiàn)圖6。

　　圖6：OP284第二級和輸出級原理示意圖

　　如果Vout被Q5/Q3/Q4驅動(dòng)到高電平，電源電流將是R4和R6值的函數。這些值的選擇意圖是最大程度地提高運放性能并減小芯片面積，而不是為比較器考慮。當Vout被Q6/R1/Q1驅動(dòng)到低電平時(shí)，電源電流將由R1決定。同樣，R1、I1等元件的值是針對運放性能來(lái)選擇，而不是針對比較器性能。

　　CMOS軌到軌運算放大器

　　CMOS運算放大器有一個(gè)值得注意的行為。某些情況下，當驅動(dòng)到供電軌時(shí)，電源電流實(shí)際上會(huì )下降。CMOS運算放大器的輸出級由共源極PMOS和NMOS晶體管組成，增益在輸出級中獲得。增益為gm×RL，為了獲得合理的跨導值，驅動(dòng)電路將靜態(tài)電流設置為某個(gè)值。

　　當輸出被驅動(dòng)到供電軌時(shí)，驅動(dòng)電路會(huì )降低互補晶體管上的驅動(dòng)電流。根據上方晶體管到下方晶體管的傳遞特性，電流實(shí)際上會(huì )減小。注意，所選四個(gè)CMOS運算放大器的行為存在很大差異。

　　最后，為了減小芯片尺寸，從而降低成本，兩個(gè)運算放大器可能會(huì )共享某些電路，如偏置電路和相關(guān)的啟動(dòng)電路等。正如前面所說(shuō)的（參考文獻8），如果一個(gè)運算放大器超出正常工作范圍，引起偏置電路失靈，則另一個(gè)運算放大器也會(huì )失靈。

　　在電池供電的系統中，或者使用低電流串聯(lián)調節器時(shí)，應當考慮額外電源電流。電池使用壽命可能比計算結果短，調節器可能無(wú)法在所有條件下啟動(dòng)，特別是在不同溫度下。

　　提示

　　* 對于新設計，最簡(jiǎn)單的解決辦法是“不要將運算放大器用作比較器”。如果必須或無(wú)意中將運算放大器用作比較器，那么：

　　* 檢查數據手冊，看制造商是否提供了有關(guān)用作比較器的信息。某些制造商會(huì )提供此信息（參考文獻9和參考文獻10）。

　　* 如果沒(méi)有相關(guān)信息，詢(xún)問(wèn)制造商是否可以提供。

　　* 如果制造商無(wú)法提供，請使用多個(gè)日期代碼的產(chǎn)品來(lái)對上述電路自行測量，增加50%的安全系數。

　　結束語(yǔ)

　　參考文獻

　　1. Kester， Walt “Op Amp Inputs， Outputs， Single-Supply， and Rail-to-Rail Issues，” MT-035 Tutorial， http://www.analog.com/static/imported-files/tutorials/MT-035.pdf

　　2. Frost， Robert “Mountain Interval” New York： Henry Holt & Company， 1920.

　　3. “Comparators，” MT-083 Tutorial， http://www.analog.com/static/imported-files/tutorials/MT-083.pdf

　　4. Sylvan， John， “High-speed comparators provide many useful circuit functions when used correctly，” Analog Dialogue， Ask the Applications Engineer -5，http://www.analog.com/library/analogDialogue/Anniversary/5.html

　　5. Bryant， James “Using Op Amps as Comparators，” 2006， AN-849，http://www.analog.com/static/imported-files/application_notes/46875282066493AN_849.pdf

　　6. Kester， Walt “Using Op Amps As Comparators，” MT-084 Tutorial，http://www.analog.com/static/imported-files/tutorials/MT-084.pdf

　　7. Moghimi， Reza “Amplifiers as Comparators？” Ask the Applications Engineer -31 Analog Dialogue 37， April 2003，

　　http://www.analog.com/static/imported-files/tutorials/MT-084.pdf

　　8. Holt， Harry “Op Amps： To Dual or Not to Dual， ′

　　http://www.eetimes.com/design/analog-design/4210881/Op-amps--to-dual-or-not-to-dual---Part-2-of-2-

　　9. ADA4092-4 datasheet， http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/ADA4092-4.pdf

　　作者簡(jiǎn)介

　　Harry Holt是ADI公司（美國加利福尼亞州圣何塞）精密放大器部門(mén)的應用工程師，已在A(yíng)DI任職四年。之前他曾在美國國家半導體公司工作了27年，從事各種產(chǎn)品的現場(chǎng)和工廠(chǎng)應用，包括數據轉換器、運算放大器、基準源、音頻編解碼器和FPGA。他持有圣何塞州立大學(xué)的電子工程學(xué)士學(xué)位（BSEE），并且是國家工程榮譽(yù)協(xié)會(huì )（Tau Beta Pi）終身會(huì )員和IEEE的高級會(huì )員。聯(lián)系方式：harry.holt@analog.com