集成电路中的最大电源电流

描述

对于大多数集成电路,数据手册中列出了最大电源电流。经常被忽视的是测量条件。对于某些轨到轨输出运算放大器,某些工作可能导致电源电流比规定的最大值高2至10倍。无论是双极还是CMOS,都给出了一些提示,说明要寻找什么以查看这是否是一个问题。

大多数集成电路数据手册都有保证的最大电源电流,但不能总是将此数字用于最坏情况下的功率计算。众所周知,CMOS数字器件的电源电流会随着时钟频率的增加而增加,但模拟器件,特别是运算放大器呢?您可以使用电源电流加上提供给负载的电流作为最大值吗?(提示:并非总是如此...

运算放大器设计为闭环工作,而比较器为开环工作。虽然这个简单的说法是显而易见的,但我们很少考虑违反这一点的后果。更常见的问题是将运算放大器作为比较器操作时。这很诱人,因为许多运算放大器被设计为具有非常低的失调和非常低的噪声,因此它们被压在精密比较器中。当运算放大器上电±15 V,输入信号在±10 V以内时,这在一定程度上起作用,特别是如果增加了一些正迟滞以避免振荡并加速通过不确定性区域的转换。随着轨到轨输出运算放大器的出现,这个问题变得严重。

历史

在数字世界中,NAND门,NOR门等具有独特的MIL/ANSI符号,但在模拟世界中,由于某种未知原因,运算放大器和比较器显示为具有两个输入和一个输出的三角形,“这已经产生了所有差异”(2)。运算放大器用作比较器已有相当长的一段时间,关于比较器和用作比较器的运算放大器的文章很多。早在 1967 年推出 LM101A 时,数据手册就展示了将其用作比较器的应用电路。教程MT-083 (3)很好地讨论了比较器,涵盖了比较器的指定方式以及比较器迟滞的必要性,但没有讨论使用运算放大器作为比较器。Sylvan(4)讨论了使用运算放大器作为比较器时的一般考虑因素,但不具体讨论轨到轨输出运算放大器。他确实警告了与共模输入电压相关的输入差异,并谈到了差模电压的差异。Bryant(5)首先说:“然而,使用运算放大器作为比较器的最佳建议非常简单——不要!”然后介绍了需要考虑的各种事项,并得出结论,在某些应用中,这可能是一个正确的工程决策。凯斯特(6)也警告不要使用运算放大器作为比较器,并勉强承认在少数情况下可能有意义。Moghimi (7)讨论了运算放大器和比较器之间的差异,警告说,“细节决定成败”,并在输入保护二极管、反相和其他几个运算放大器特性方面做得非常出色,但认为仔细注意这些细节是有回报的。他确实简要提到了RRO运算放大器,但没有提到电源电流。

随着电源电压的降低,用于保持较大电压摆幅的方法之一是将经典输出级转换为“轨到轨”输出级。经典输出级如图1所示。参考非轨到轨输出,输出只能达到正电源的约1 V。

运算放大器

图1.经典的双极性输出级。

为了更接近电源轨,输出级晶体管改为通用发射极配置,如图2所示。

运算放大器

图2.双极性轨到轨输出。

“轨到轨”输出并不是真正的轨到轨,但可以根据输出晶体管的尺寸和负载电流,在电源的50 mV至100 mV范围内。

比较这两个输出级,有三件重要的事情需要注意:首先,经典输出级具有电流增益,但电压增益小于1,并且输出阻抗非常低。其次,轨到轨输出级是一个共发射极级,因此具有电压增益,大约gm×·L.RL由外部负载和输出阻抗(RO)的晶体管。当输出工作在距离电源轨超过几百毫伏的地方时,RO非常大,通常可以忽略不计,但如果输出靠近电源轨,则不能忽略。第三,输出可以看作是经典的双晶体管比电流镜。这是问题的症结所在。

在正常工作时,中间级将拉低基极集电极节点,将更多电流驱动到负载中并提高电压。对于负反馈,随着输出电压的上升,输入级和中间级将减少驱动,直到闭环平衡。

当用作比较器时,中间级将拉下基极集电极节点,试图闭合环路,但没有反馈,它继续越来越用力地拉动。该附加电流找到从正电源引脚到负电源引脚的路径,并显示为附加电源电流。驱动输出级有几种不同的方式,再加上空穴和电子之间的迁移率差异,电源电流的增加通常不对称。

为了量化这种效应,我们从ADI公司及其三个主要模拟竞争对手处获得了双极性运算放大器和CMOS运算放大器。为了进行比较,还包括古老的双通道运算放大器(非RRO)和LM393双通道比较器。使用三个电路测量电源电流作为电源电压的函数。图3显示了测量电源电流的经典方法。电流表如图所示连接,因此不包括电阻分压器的电源电流。

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图3.

两个电流表用于验证电源电流是否准确,并且不包括通过输入引脚的任何不需要的电流路径。选择电阻值是非临界值,以确保运算放大器的输入在数据手册规格表中规定的输入电压范围(IVR)内。

要测量开环时的电源电流,例如作为比较器工作,请参见图4和图5。一些低噪声、双极性运算放大器的输入之间有二极管以保护差分输入对,因此最大差分电压通常在绝对最大值表中表示为±0.7 V。如果有内部串联电阻,它们通常在500 Ω至2 kΩ范围内。绝对最大值表可能说明最大差分电压±电源电压,但这并不意味着该器件工作。应查阅简化的内部原理图。如果未提供,请快速致电制造商解决此问题。在这两种配置中,电阻值的选择更为关键。电阻值应足够低,使差分输入电压至少为0.5 V,以保证输出被硬力驱动到电源轨中,但又足够高,不会损坏内部二极管。选择的值将输入电流限制在1 mA以下。

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图4.比较器,输出低电平。

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图5.比较器,输出高电平。

表1列出了数据手册中的最大电源电流规格,运算放大器作为跟随器与V连接时测得的电源电流在电源引脚(图3)与电源电流之间,输出强制为低电平(图4)和强制高电平(图5)。

 

Competitor Type   Spec (mA) Follower (mA) Vol (mA) Voh (mA)
LM358 Bipolar 30V 2 0.707 0.506 0.671
LM393 Bipolar 36V 2.5 0.548 0.565 0.567
OP184 Bipolar 30V 2 1.239 1.188 6.683
A Bipolar 24V 0.45 0.361 3.442 0.708
B Bipolar 30V 3.4 2.785 2.051 3.998
C Bipolar 30V 4.5 4.063 5.336 3.786
AD8605 CMOS 5V 1.2 0.998 0.544 0.625
A CMOS 5V 0.9 0.511 0.361 10.152
B CMOS 5V 2.4 1.916 2.759 2.475
C CMOS 5V 1.4 1.039 0.822 0.667

 

经典运算放大器和比较器

表 1 显示经典 LM358 和 LM393 表现良好,正如预期的那样。

双极性轨到轨运算放大器

所有双极性轨到轨输出运算放大器在一个或两个比较器电路中的电源电流均大于“最大”运算放大器电源电流。驱动输出级的方法有几种,因此当驱动到一个电源轨或另一个电源轨时,某些方法会导致电源电流增加。如果不了解制造商的内部原理图,就无法对行为发表评论。

对于OP284,数据手册中显示了第二级和输出级简化原理图。参见图 6。

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图6.

如果 V外由Q5/Q3/Q4驱动,电源电流将是R4和R6值的函数。选择这些值是为了最大限度地提高运算放大器性能并最小化芯片面积,而不是比较器操作。当 V外由Q6/R1/Q1驱动为低电平,电源电流将由R1决定。同样,R1、I1等值是根据运算放大器性能而不是比较器性能选择的。

CMOS轨到轨运算放大器

CMOS运算放大器有一个有趣的特性。在某些情况下,电源电流在驱动至电源轨时实际上会下降。CMOS运算放大器的输出级由公共源极PMOS和NMOS晶体管组成,增益由输出级获取。增益为 gm × RL,并得到合理的跨导值,驱动电路设计为将静态电流设定为一定值。当输出被驱动到电源轨时,驱动电路将减少互补晶体管上的驱动。根据从顶部晶体管到底部晶体管的传输特性,电流实际上会降低。请注意,所选的四个CMOS运算放大器在行为上存在很大差异。

最后,为了减小芯片尺寸并降低成本,一些电路(如偏置电路和相关启动电路)可能由两个运算放大器共享。如前所述(8),如果一个运算放大器在其正常范围之外工作并导致偏置电路发生故障,则另一个运算放大器也会发生故障。

在电池供电系统或使用低电流串联稳压器时,应考虑额外的电源电流。电池寿命可能低于计算值,或者稳压器可能无法在所有条件下启动,尤其是在温度范围内。

技巧

对于新设计,最简单的解决方案是“不要使用运算放大器作为比较器!如果您必须或偶然使用一个作为比较器:

查看数据手册,了解制造商是否有任何关于作为比较器运行的信息。一些制造商正在添加此信息。

如果没有该信息,请询问制造商是否有该信息。

如果他们无法提供,请使用前面显示的电路自己测量多个日期代码,并增加 50% 的安全系数。

总结

轨到轨输出运算放大器在用作比较器时具有独特的特性。

延长电池寿命和提高性能的最佳解决方案是在需要比较器功能时使用低成本比较器,将任何用过的运算放大器部分作为跟随器,将同相输入连接到运算放大器输入电压范围内的稳定电压,或者酌情使用单通道和双通道而不是四通道。电源电流可能大大超过数据手册中规定的“最大值”。在仔细考虑的条件下,未使用的运算放大器可以用作比较器,但使用适当的运算放大器和比较器组合将导致较低的电源电流和明确的性能。

审核编辑:郭婷

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