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运算放大器输出驱动能力的方法分析二

发布时间:2020-07-21 18:24:04 阅读: 来源:货代厂家

如何测量输出参数

运放数据手册中的输出参数通常用一些根据合理数量的单位计算出的图来表示。数据手册中的图可以说是属于"线性"工作区,因为它们显示的是闭环工作条件下的典型特征。当然,大多数运放是在闭环条件下工作的,但是在某些特定的应用中,也需要在开环条件下工作。这意味着运放不能像通常那样,保持输入端之间的电压差为0。这是由于快速的输入变化要求运放的输出在很短的时间内改变。这就是说,环路是开放的,同时输出向最终值变化,在这段时间内,输入端之间会有一个很大的电压差。一旦达到最终的输出值,输入电压差又会再次减小到非常接近于0V(即输出电压除以运放很大的开环增益)。

像前面所解释的那样,一些运放由于架构的原因,在"开环"条件下能明显地提供更高的电流。但是在被用来在一个负载上维持一定量的电压摆幅这样的稳定正常的闭环条件下,输出电流能力必须在很小的输入过驱动电压条件下被确定。输入过驱动电压要大于运放输入级的输入失调电压,但不能太大,否则会影响电流能力。

为了得到输出特征图,制造商会使用开环或闭环结构进行测量。只要遵循输入过驱动电压的要求,得到的结果是相同的。如图3a所示,在测量开环输出电流时,待测器件(DUT)的输出连接一个可变的电流源(或电流沉)发生器(Go),并由双电源供电。

图3:测量输出特征。

只需在输入端施加足够的差分电压,来克服输入失调电压并"产生"输出(对于源电流能力的测试,朝向正电源;对于输出阱电流的测试,朝向负电源)。此电压被称作"输入过驱动电压"(VID)。大多数运放需要大约20mV左右的输入过驱动电压来达到完全电流输出能力。为了支持较小的输出失真,在指定输出电流时,输入过驱动电压应小于+/-20mV。在这些条件下,输出电流源(电流阱)发生器可以在适当的范围内进行扫描,并且记录每个扫描点的输出电压。将输出电压(直接给出或是与之对应的电源电压之间的关系)与对应的发生器的输出电流画在图上,就得到了输出特征图。如果允许电流源(电流阱)发生器提供一个足够大的电流,最终得到的点的输出电压会精确地等于V+和V-之和的1/2(在电源对称的系统中就是地)。这一点对应的电流值就是数据手册上的"输出短路电流",大多数运放的数据手册中通常会提供这个数值。如图1所示,输出短路电流大约为100mA,与之相对应的纵轴坐标为5V(对于+/-5V的电源)。

图3b中的设置与图3a中的相似,也能被用来测量输出特征。两种设置的差别在于,在图3b的电路中,DUT的环路通过RF和RG闭合。为了测量一个给定VOUT下的输出电流能力,需要设置适当的VIN来得到所需的VOUT。Go会一直增大直到达到所需的输入过驱动电压(VID)(通常小于+/-20mV,并大于输入失调电压,其值可以通过VOUT的下降(ΔVOUT)测得)。RF和RG的数值已知情况下,输入过驱动电压(VID)与VOUT下降之间的关系为:

VID= ( VOUT/(1+RF/RG),其中( VOUT是由于Go增大所引起的VOUT的变化

例如,当RF=10K、RG=1K时,如果Vin =-0.3V,则输出将为3V。所需的20mV的输入过驱动电压对应于由Go的电流变化所引起的输出电压220mV{=20mV * (1+10)= 220mV}的改变,或VOUT= 2.78V。

值得注意的是,一些专门为低功耗应用所设计的高压摆率的电压反馈运放,在前端使用了"压摆率增强"电路。这样能使运放节省功耗,并产生高速的大信号输出摆幅(换句话说就是高压摆率)。例如美国国家半导体公司的两款高速运放LM7171和LMH6657。为了达到上述目的,大输入摆幅增加了向内部补偿节点的电容所提供的电流,这一电容通常是用来限制运放压摆率的。因此,这一类器件的压摆率与输入过驱动电压相关。

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