??對于大多數(shù)IC（），數(shù)據(jù)手冊上都會列出最大電源電流，但人們常常對其測量條件視而不見。對于某些軌到軌輸出運(yùn)算放大器，某些操作可能會導(dǎo)致電源電流比規(guī)定的最大值高出2到10倍。本文探討在確定是否應(yīng)當(dāng)關(guān)注最大電源電流時(shí)，需要考慮哪些方面；本文的討論對雙極性和CMOS運(yùn)算放大器均適用。 ??幾乎所有IC的數(shù)據(jù)手冊都會提供保證最大電源電流值，但該值并不總是能夠用來計(jì)算最差情況的功耗。眾所周知，CMOS數(shù)字器件的電源電流隨著時(shí)鐘頻率的提高而提高，但模擬器件，特別是運(yùn)算放大器會如何呢？可以使用電源電流加上供應(yīng)給負(fù)載的電流作為最大值嗎？（提示：并不盡然。..。.） ??運(yùn)算放大器以閉環(huán)形式工作，而比較器則以開環(huán)形式工作。雖然這一原則十分簡單并且顯而易見，但我們很少思考違反原則會帶來什么后果。出現(xiàn)相對較多的問題是將運(yùn)算放大器用作比較器，因?yàn)樵S多運(yùn)算放大器的失調(diào)和噪聲均非常低，常常會誘使我們將其用作精密比較器。 ??當(dāng)運(yùn)算放大器采用±15V電源供電，并且輸入信號在±10V范圍內(nèi)時(shí)，將其用作比較器有時(shí)是可行的，特別是如果增加一些正遲滯來避免振蕩并加快不確定區(qū)域的過渡。但隨著軌到軌輸出運(yùn)算放大器的出現(xiàn)，問題開始變得嚴(yán)重。參考文獻(xiàn)1對輸入和輸出級做了很好的闡釋。 ? ??歷史回顧 ? ??在數(shù)字世界，NAND門、NOR門和其它數(shù)字功能的MIL/ANSI符號截然不同。但在模擬世界，不知是何原因，運(yùn)算放大器和比較器均顯示為一個(gè)帶兩路輸入和一路輸出的三角形，“這種表示方法影響深遠(yuǎn)”（參考文獻(xiàn)2）。運(yùn)算放大器用作比較器已有很長時(shí)間，關(guān)于比較器和用作比較器的運(yùn)算放大器，已有許多論文做過探討： ??* 早在1967年，當(dāng)推出LM101A時(shí)，其數(shù)據(jù)手冊顯示的應(yīng)用電路中就是用作比較器。 ??* MT-083（參考文獻(xiàn)3）對比較器進(jìn)行了比較全面的綜述，包括放大器的性能指標(biāo)和為何需要遲滯，但并未討論將運(yùn)算放大器用作比較器的情況。 ??* Sylvan（參考文獻(xiàn)4）討論了運(yùn)算放大器用作比較器時(shí)的一般考慮因素，但并未特別討論軌到軌輸出運(yùn)算放大器。他確實(shí)提醒過大家應(yīng)當(dāng)注意輸入相對于共模輸入電壓的差異，并涉及到差模電壓的差別。 ??* Bryant（參考文獻(xiàn)5）開宗明義：“然而，關(guān)于將運(yùn)算放大器用作比較器的最佳建議非常簡單--不要這樣做！”，然后說明了多個(gè)需要考慮的問題，最后總結(jié)道：在某些應(yīng)用中，這可能是一個(gè)正確的設(shè)計(jì)決策。Kester（參考文獻(xiàn)6）同樣反對將運(yùn)算放大器用作比較器，但也勉強(qiáng)承認(rèn)，有些情況下這可能行得通。 ??* Moghimi（參考文獻(xiàn)7）討論了運(yùn)算放大器與比較器的區(qū)別，警告說“魔鬼就藏在細(xì)節(jié)中”，并且非常清楚地解釋了輸入保護(hù)二極管、反相和運(yùn)放的多個(gè)其它特性，但他認(rèn)為，小心處理這些細(xì)節(jié)還是可以有效解決的。他確實(shí)簡要提及了軌到軌輸出運(yùn)算放大器，但未談到電源電流。 ??隨著電源電壓減小，用來保持較大電壓擺幅的方法之一是將傳統(tǒng)輸出級變?yōu)椤败壍杰墶陛敵黾?。圖1所示為一個(gè)傳統(tǒng)輸出級，可以稱之為非軌到軌輸出級，其輸出只能達(dá)到正電源的1V范圍內(nèi)。 ? ?? ??圖1：傳統(tǒng)雙極性輸出級 ? ??為了更接近供電軌，輸出級晶體管變?yōu)楣舶l(fā)射極配置，如圖2所示。 ? ?? ??圖2：雙極性軌到軌輸出 ? ??“軌到軌”輸出并非真正的“軌到軌”，但是可以達(dá)到電源電壓的50-100 mV范圍內(nèi)，具體取決于輸出晶體管的大小和負(fù)載電流。 ??比較這兩個(gè)輸出級，有三點(diǎn)值得特別注意： ??* 第一，傳統(tǒng)輸出級具有電流增益、小于1的電壓增益和非常低的輸出阻抗。 ??* 第二，軌到軌輸出級是共發(fā)射極輸出級，因而具有電壓增益，約為gm×RL。RL由外部負(fù)載和晶體管的輸出阻抗（RO）組成。當(dāng)輸出與供電軌相差數(shù)百毫伏以上時(shí)，RO非常大，通?？梢院雎圆挥?jì)，但如果輸出接近供電軌，則不能忽略。 ??* 第三，可以將輸出看作傳統(tǒng)的雙晶體管比例式電流鏡，這是問題的癥結(jié)所在。 ??在正常工作中，中間級會拉低基極-集電極節(jié)點(diǎn)，將更多電流驅(qū)動到負(fù)載，從而提高電壓。在負(fù)反饋下，隨著輸出電壓升高，輸入級和中間級將降低驅(qū)動電流，直到閉環(huán)平衡。 ??當(dāng)用作比較器時(shí)，中間級會拉低基極-集電極節(jié)點(diǎn)，試圖封閉環(huán)路，但由于沒有反饋，它將越拉越厲害。這一額外電流找到一條路徑從正電源引腳流到負(fù)電源引腳，以額外電源電流的形式出現(xiàn)。驅(qū)動輸出級的方法有多種，而且空穴和電子的遷移率存在差異，因此電源電流的提高通常不對稱。 ? ??動手試驗(yàn) ? ??為了量化這一效應(yīng)，筆者從ADI公司及三家主要模擬器件競爭廠商各獲得了一個(gè)雙極性運(yùn)算放大器和一個(gè)CMOS運(yùn)算放大器。為了進(jìn)行比較，試驗(yàn)中還包括歷史悠久的雙通道運(yùn)算放大器LM358（非軌到軌輸出）和雙通道比較器LM393。使用三個(gè)電路，測量與電源電壓呈函數(shù)關(guān)系的電源電流。 ??圖3是用于測量電源電流的經(jīng)典方法。電流表按圖示進(jìn)行連接，以便剔除阻性分壓器的電源電流。 ? ?? ??圖3：測量電源電流 ? ??使用兩塊電流表，以便確認(rèn)電源電流是準(zhǔn)確的，并且不包括通過輸入引腳的任何無關(guān)電流路徑。電阻值無關(guān)緊要，所選值只需確保運(yùn)算放大器的輸入在數(shù)據(jù)手冊技術(shù)規(guī)格表規(guī)定的輸入電壓范圍（IVR）內(nèi)。 ??為了測量開環(huán)下的電源電流，例如作為比較器工作時(shí)，使用圖4和圖5所示電路。某些低噪聲雙極性運(yùn)放的輸入端之間具有二極管，用以保護(hù)差分輸入對，因此“絕對最大額定值”表中規(guī)定的最大差分電壓通常是±0.7 V。如果有內(nèi)部串聯(lián)電阻，其值通常在500 ？到2 k？范圍內(nèi)。 ??“絕對最大額定值”表可能將最大差分電壓規(guī)定為正負(fù)電源電壓，但這并不意味著器件能夠在這種條件下工作。應(yīng)當(dāng)參考器件的簡化內(nèi)部原理圖，如果沒有提供，可以詢問制造商。 ??在這兩種配置中，電阻值的選擇比前一種情況略顯重要。電阻值應(yīng)足夠低，使得差分輸入電壓至少為0.5V，以保證輸出被盡力驅(qū)動到供電軌，同時(shí)應(yīng)足夠高，不至于損壞內(nèi)部二極管。所選值應(yīng)將輸入電流限制在1mA以下。 ? ??