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如何实现负载驱动器的电路
李杰
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在很多应用中，都需要用到能够为负载提供适当功率的放大器；另外还需保持良好的直流精度，而负载的大小决定了目标电路的类型。精密运算放大器能驱动功率要求不足 50 mW 的负载，而搭配了精密运算放大器输入级和分立功率晶体管输出级的复合放大器可以用来驱动功率要求为数 W 的负载。 但是，在中等功率范围内却没有优秀的解决方案。 在这个范围内，不是运算放大器无法驱动负载，就是电路过于庞杂而昂贵。最近在设计惠斯登电桥驱动器时，这种两难处境更为明显。激励电压直接影响失调和范围，因此需要具有直流精度。这种情况下，源极电压和电桥之间的容差不足 1 mV。 若以 7 V 至 15 V 电源供电，则电路必须以单位增益将电桥从 100 mV 驱动至 5 V。使问题变得更为复杂的是，它能使用各种不同的桥式电阻 例如，应变计的标准阻抗为 120 Ω或 350 Ω。若采用 120 Ω电桥，则放大器必须提供 42 mA 电流，才能保持 5 V 电桥驱动能力。 此外，电路驱动能力必须高达 10 nF。 这是考虑电缆和电桥耦合电容后得到的数值。
放大器选择
设计该电路的第一步，是选择可以驱动负载的放大器。 其压差（VOH） 在目标负载电流情况下，必须位于电路的可用裕量范围内。 针对该设计的最小电源电压为 7 V，最大输出为 5 V。若裕量为 250 mV，则可用裕量（VDD – VOUT）等于 1.75 V。目标负载电流为 42 mA。精密、双通道运算放大器 ADA4661-2 具有轨到轨输入和输出特性。 该器件的大输出级可驱动大量电流。 源电流为 40 mA 时，数据手册中的压差电压规格为 900 mV，因此可轻松满足 1.75 V 裕量要求。压差限制了电路采用低压电源工作，而功耗则限制了电路采用高压电源工作。 可计算芯片升温，确定最大安全工作温度。 MSOP 封装简化了原型制作，但 LFCSP 封装的热性能更佳，因此如有可能应当采用 LFCSP 封装。 MSOP 的热阻（θJA） 等于 142°C/W，LFCSP 的热阻等于 83.5°C/W。 最大芯片升温可通过将热阻乘以最大功耗计算得到。 当电源为 15 V 且输出为 5 V 时，裕量为 10 V。最大电流为 42 mA，因此功耗为 420 mW。 最终的芯片升温（MSOP 为 60°C，LFCSP 为 35°C）限制最大环境温度为 65°C （MSOP）以及 90°C （LFCSP）。为保持精确的电桥激励电压，芯片和封装的组合热性能同样十分重要。 不幸的是，驱动大输出电流时，某些运算放大器的性能下降明显。 输出级功耗使得芯片上的温度梯度极大，从而导致匹配晶体管和调节电路之间的不平衡。 ADA4661-2 设计用于驱动大功率，同时抑制这些温度梯度。
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