運算放大器功率耗散的首要問題-II

　　在將一個運算放大器設計成為全新應用時經常被問到的兩個問題是：

　　1.他的功率耗散“典型值”是多少?在我的第一個帖子進行了介紹。

　　2.他的功率耗散“最大值”是多少?

　　應該在目標電路中評估運算放大器的最大功率。我們假定放大器運行的第一種情況是這樣的。我們將最低負載電阻RL加載到輸出上，正如OPA 316電氣特性表中所列出的那樣。這個表格中列出的值為2 k?(紅色橢圓中的值)。

　　當VS和 IQ為最大值，并且輸出被偏置到Vs+電源電壓一半的dc電平時，將出現最大功率耗散。圖2顯示出OPA316被配置為單電源，非反向放大器。其輸出正在驅動一個對地為2 kΩ的等效負載，此負載由RL與RF和RI串聯形成的電阻并聯而成。此非反向輸入由一個+1.375Vdc電源驅動，由于有2倍增益，這個值在輸出上表現為2.75V。OPA316的輸出晶體管中的一個使電流流經對地為2kΩ等效負載電阻，RL(EQV)。在其源極和漏極之間有2.75V電壓。

　　圖2顯示了用來確定OPA316功率耗散的電路。

　　圖2 –驅動2kΩ(等效)負載時OPA316的功率耗散

　　此放大器功率耗散的計算方法為：

　　計算出傳遞給負載的電流IO

　　VO=2.75 V, RL= 5 k?,RF= 1.67 k?,Ri= 1.67 k?

　　IO= IRL+ IFB=(VO/ RL)+[VO/ (RF+ Ri)] = (2.75 V/ 5 k?) + [2.75 V/ 2(1.67 k?)]

　　IO= 550 uA + 832.4 uA = 1.373 mA

　　Iq(max)= 500 uA(來自數據表)

　　PD(max)= [(Vs+) * Iq(max)] + [((Vs+) - VO) * IO] = [(5.5 V) (500 uA)] + [(5.5 V - 2.75 V) * 1.373 mA] = 6.5 mW

　　功率耗散很低，只是靜態水平的大約3.2倍。這也許不是用戶正在尋找的最差耗散情況，但卻是個好的開始。

　　最差情況經常在輸出被短接到地或短接到電源軌時出現。目前類似于OPA316的運算放大器的額定值能夠耐受短接至地的輸出，而不被損壞。OPA316短路信息在絕對最大值額定值數據表中列出。

　　輸出電流Io不受限制，但是具有有限的短路電流值，Isc;放大器在對地短接時能夠傳送的最大電流。內部輸出晶體管特性以及電路設計規定了Isc的值。上面顯示的電氣特性表列出OPA316的Isc值為±50mA(藍色橢圓內的值)。

　　由于輸出被強制為0V，沒有電流流經反饋路徑電阻器，或者說是RL。全部電路功率由OPA316在內部消耗掉。圖3顯示了一個短路連接。需要注意的是，整個5.5V電源電壓被強加在拉出Isc電流的輸出晶體管上。其功率耗散PD(XSTR)會很大。

　　圖3-輸出短路情況下的OPA316

　　現在在輸出短路的情況下計算PD：

　　IO= ISC≈ 50 mA

　　PD(XSTR)= V(XSTR)? ISC= 5.5 V (50 mA) = 275 mW

　　PQ(MAX)= (Vs+) IQ(MAX)= 5.5 V ? 500 uA = 2.75 mW

　　PD(MAX)= PQ(MAX)+ PD(XSTR)= 2.75 mW + 275 mW = 278 mW

　　這個PD電平是從線性dc負載示例中獲得的電平的43倍。

　　但是放大器在這種情況下能正常使用嗎?晶體管結溫，Tj的計算結果應該會告訴我們答案：

　　Tj=Ta+ PD?θja

　　Ta= 環境溫度，典型值25 °C

　　θja= 熱阻抗，263 °C/W

　　θja值在采用SC70-5封裝的OPA316熱信息表中列出

　　Tj=25 °C + (0.278 W)(263 °C/W) = 98.1 °C

　　這一值遠遠低于數據表中列出的150 °C Tj最大值。運算放大器應該還可以。Tj會接近150 °C的唯一可能情況就是Ta已經升高了50 °C。

　　簡單dc分析技術可以幫助用戶理解他們應用電路中所使用的運算放大器的功率耗散。此數據表經常提供執行這些計算所需要的全部內容。涉及ac信號的功率耗散確定會更加復雜，這是因為其中的時間要素。這樣的分析通常要采用積分技巧。然而，dc分析將常常提供最差情況的耗散信息。