运算放大器功率耗散的首要问题(2)

全新应

Thomas Kuehl

在将一个运算放大器设计成为全新应用时经常被问到的两个问题是:

他的功率耗散“典型值”是多少?在我的第一个帖子进行了介绍。
他的功率耗散“最大值”是多少?

应该在目标电路中评估运算放大器的最大功率。我们假定放大器运行的第一种情况是这样的。我们将最低负载电阻RL加载到输出上,正如OPA 316电气特性表中所列出的那样。这个表格中列出的值为2 kΩ(红色椭圆中的值)。

当VS 和 IQ为最大值,并且输出被偏置到Vs+电源电压一半的dc电平时,将出现最大功率耗散。图2显示出OPA316被配置为单电源,非反向放大器。其输出正在驱动一个对地为2 kΩ的等效负载,此负载由RL与RF和RI串联形成的电阻并联而成。此非反向输入由一个+1.375Vdc电源驱动,由于有2倍增益,这个值在输出上表现为2.75V。OPA316的输出晶体管中的一个使电流流经对地为2kΩ等效负载电阻,RL(EQV)。在其源极和漏极之间有2.75V电压。

图2显示了用来确定OPA316功率耗散的电路。

图2 – 驱动2kΩ(等效)负载时OPA316的功率耗散

此放大器功率耗散的计算方法为:

计算出传递给负载的电流IO

VO = 2.75 V, RL = 5 kΩ, RF = 1.67 kΩ, Ri = 1.67 kΩ

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

IO = 550 uA + 832.4 uA = 1.373 mA

Iq(max) = 500 uA(来自数据表)

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,只是静态水平的大约3.2倍。这也许不是用户正在寻找的最差耗散情况,但却是个好的开始。

最差情况经常在输出被短接到地或短接到电源轨时出现。目前类似于OPA316的运算放大器的额定值能够耐受短接至地的输出,而不被损坏。OPA316短路信息在绝对最大值额定值数据表中列出。

输出电流Io不受限制,但是具有有限的短路电流值,Isc;放大器在对地短接时能够传送的最大电流。内部输出晶体管特性以及电路设计规定了Isc的值。上面显示的电气特性表列出OPA316的Isc值为±50mA(蓝色椭圆内的值)。

由于输出被强制为0V,没有电流流经反馈路径电阻器,或者说是RL。全部电路功率由OPA316在内部消耗掉。图3显示了一个短路连接。需要注意的是,整个5.5V电源电压被强加在拉出Isc电流的输出晶体管上。其功率耗散PD(XSTR)会很大。

图3-输出短路情况下的 OPA316

现在在输出短路的情况下计算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

这个PD电平是从线性dc负载示例中获得的电平的43倍。

但是放大器在这种情况下能正常使用吗?晶体管结温,Tj的计算结果应该会告诉我们答案:

Tj = Ta + PD∙θja

Ta = 环境温度,典型值25 °C

θja = 热阻抗,263 °C/W

θja 值在采用SC70-5封装的OPA316热信息表中列出

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

这一值远远低于数据表中列出的150 °C Tj最大值。运算放大器应该还可以。Tj会接近150 °C的唯一可能情况就是Ta已经升高了50 °C。

简单dc分析技术可以帮助用户理解他们应用电路中所使用的运算放大器的功率耗散。此数据表经常提供执行这些计算所需要的全部内容。涉及ac信号的功率耗散确定会更加复杂,这是因为其中的时间要素。这样的分析通常要采用积分技巧。然而,dc分析将常常提供最差情况的耗散信息。

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