關鍵字： 運放  驅動能力  LMH6642 

如何測量輸出引數

運放資料手冊中的輸出引數通常用一些根據合理數量的單位計算出的圖來表示。資料手冊中的圖可以說是屬於"線性"工作區，因為它們顯示的是閉環工作條件下的典型特徵。當然，大多數運放是在閉環條件下工作的，但是在某些特定的應用中，也需要在開環條件下工作。這意味著運放不能像通常那樣，保持輸入端之間的電壓差為0。這是由於快速的輸入變化要求運放的輸出在很短的時間內改變。這就是說，環路是開放的，同時輸出向最終值變化，在這段時間內，輸入端之間會有一個很大的電壓差。一旦達到最終的輸出值，輸入電壓差又會再次減小到非常接近於0V(即輸出電壓除以運放很大的開環

像前面所解釋的那樣，一些運放由於架構的原因，在"開環"條件下能明顯地提供更高的電流。但是在被用來在一個負載上維持一定量的電壓擺幅這樣的穩定正常的閉環條件下，輸出電流能力必須在很小的輸入過驅動電壓條件下被確定。輸入過驅動電壓要大於運放輸入級的輸入失調電壓，但不能太大，否則會影響電流能力。

為了得到輸出特徵圖，製造商會使用開環或閉環結構進行測量。只要遵循輸入過驅動電壓的要求，得到的結果是相同的。如圖3a所示，在測量開環輸出電流時，待測器件(DUT)的輸出連線一個可變的電流源(或電流沉)發生器(G_o)，並由雙電源供電。

圖3：測量輸出特徵。

只需在輸入端施加足夠的差分電壓，來克服輸入失調電壓並"產生"輸出(對於源電流能力的測試，朝向正電源；對於輸出阱電流的測試，朝向負電源)。此電壓被稱作"輸入過驅動電壓"(V_ID)。大多數運放需要大約20mV左右的輸入過驅動電壓來達到完全電流輸出能力。為了支援較小的輸出失真，在指定輸出電流時，輸入過驅動電壓應小於+/-20mV。在這些條件下，輸出電流源(電流阱)發生器可以在適當的範圍內進行掃描，並且記錄每個掃描點的輸出電壓。將輸出電壓(直接給出或是與之對應的電源電壓之間的關係)與對應的發生器的輸出電流畫在圖上，就得到了輸出特徵圖。如果允許電流源(電流阱)發生器提供一個足夠大的電流，最終得到的點的輸出電壓會精確地等於V+和V-之和的1/2(在電源對稱的系統中就是地)。這一點對應的電流值就是資料手冊上的"輸出短路電流"，大多數運放的資料手冊中通常會提供這個數值。如圖1所示，輸出短路電流大約為100mA，與之相對應的縱軸座標為5V(對於+/-5V的電源)。

圖3b中的設定與圖3a中的相似，也能被用來測量輸出特徵。兩種設定的差別在於，在圖3b的電路中，DUT的環路通過R_F和R_G閉合。為了測量一個給定V_OUT下的輸出電流能力，需要設定適當的V_IN來得到所需的V_OUT。G_o會一直增大直到達到所需的輸入過驅動電壓(V_ID)(通常小於+/-20mV，並大於輸入失調電壓，其值可以通過V_OUT的下降(ΔV_OUT)測得)。R_F和R_G的數值已知情況下，輸入過驅動電壓(V_ID)與V_OUT下降之間的關係為：

V_ID= ( V_OUT/(1+R_F/R_G)，其中( V_OUT是由於G_o增大所引起的V_OUT的變化

例如，當R_F=10K、R_G=1K時，如果V_in =-0.3V，則輸出將為3V。所需的20mV的輸入過驅動電壓對應於由G_o的電流變化所引起的輸出電壓220mV{=20mV * (1+10)= 220mV}的改變，或V_OUT= 2.78V。

值得注意的是，一些專門為低功耗應用所設計的高壓擺率的電壓反饋運放，在前端使用了"壓擺率增強"電路。這樣能使運放節省功耗，併產生高速的大訊號輸出擺幅(換句話說就是高壓擺率)。例如美國國家半導體公司的兩款高速運放LM7171和LMH6657。為了達到上述目的，大輸入擺幅增加了向內部補償節點的電容所提供的電流，這一電容通常是用來限制運放壓擺率的。因此，這一類器件的壓擺率與輸入過驅動電壓相關。

圖4：LMH6657的壓擺率與輸入過驅動電壓的關係反映出壓擺率的增強。

圖4是LMH6657資料手冊中所給出的壓擺率與輸入過驅動電壓的函式關係。

因此，在輸入過驅動電壓和輸出壓擺率較大的情況下，這類器件的輸出電流能力也得到了提高。

圖5：兩個不同的輸入過驅動電壓下，LMH6657的輸出提供電流特徵。

圖5顯示了在兩個不同的輸入過驅動電壓下，LMH6657的輸出提供電流能力(I_OUT)與輸出電壓之間的關係，從中可以看出，較大的輸入過驅動電壓增大了輸出電流(圖中表現為對於相同的I_OUT，輸出電壓到電源電壓的餘量要小)。這裡沒有給出接受電流特徵，但結果是相似的。

與常規的電壓反饋運放相比，更需要確保這類器件的輸出特徵被正確地理解。通過增大輸入過驅動電壓能夠得到額外的輸出驅動能力。但是，當進行像在負載上維持一個穩態擺幅這樣的失真很小的閉環工作時，卻需要很小的輸入過驅動電壓(前面已經提到過<+/-20mV)。在輸入過驅動電壓很大的條件下指定的輸出能力只能用於瞬態行為，此時輸出尚未達到最終值，一旦輸出達到最終值，輸入過驅動電壓就會下降到20mV以下。因此，當在穩態輸出電流而不是瞬態行為十分重要的應用中，評估這類器件的效能時，需要注意輸入過驅動條件。

電流反饋(CFB)運放的輸出特徵的測量方法與上面所給出的方法十分相似。圖6顯示了進行這一測量時所使用的設定。

圖6：測量CFB運放的輸出特徵。

CFB的結構是由一個位於正向和反向輸入端之間增益為1的快取器構成的，電阻R_G使得電流能夠流過反向埠。設定V_IN的值大於輸入失調電壓，電流就會從反向輸入埠流出，並且輸出會向正電源電壓V⁺增長(即會盡可能地靠近V⁺)。像前面所解釋的電壓反饋(VFB)運放的情況一樣，電流發生器G_o會對一系列適合DUT的電流值進行掃描，得到輸出提供電流能力與輸出電壓之間的關係。通過顛倒V_IN的極性並將G_o設定成向DUT的輸出管腳提供電流，就能夠確定接受電流能力。注意，對於CFB結構，輸入過驅動電壓對於輸出特徵的影響比VFB結構要小。

輸出能力和運放的巨集模型：

美國國家半導體公司向用戶提供的Pspice巨集模型，能夠很好地預測運放的許多引數，輸出特徵是其中之一。對於我們一直在討論的LMH66?2，圖7給出了由美國國家半導體公司的Pspice模型所預測的輸出特徵。

在建立Pspice巨集模型時，我們力圖使圖7中所示的模型曲線與圖1中所示的典型的器件特性相符合。但是，仔細觀察就會發現，圖7中的曲線與圖1中的典型特徵曲線相比還是過於理想化。對於我們努力想要建模的引數來說，Pspice巨集模型只能提供"有限的"精度。此外，通常而言，Pspice的輸出電流模型，沒有包括內建壓擺率增強特性的器件中過度的輸入過驅動電壓會增強輸出驅動能力的效應。

只要運放的巨集模型中包括了這一行為，使用Pspice模擬能夠直接快速地估計出一系列電阻負載上的輸出電壓擺幅(而不是像圖7中顯示的輸出能力)。當LMH66?2工作於圖1A所示的電路條件下，附錄B中所示的Pspice模擬檔案是一種得到一系列電阻負載上的最大輸出擺幅的可行方法(電阻範圍為60100歐姆，步長為10歐姆)。圖8顯示了Pspice所產生的結果圖。

從這幅圖中，設計者能夠直接讀取所指定的不同負載的輸出電壓擺幅，並畫出如圖9所示的擺幅與負載的關係圖。對於一個100歐姆的負載，將Pspice所預測的9.48V的擺幅(如圖9所示)與前面的迭代分析所預測的8.75V(如表1所示)的擺幅進行比較。當將Pspice的結果與資料表上的典型規格進行比較時，出現大約8%的差距是很普遍的情況。

作者：

Hooman Hashemi

首席應用工程師

美國國家半導體公司