确定运算放大器输出驱动能力的方法分析

尤其当运放是满摆幅输出时，两条坐标轴都使用对数坐标，以使得在输出电流很孝输出只有几毫伏的情况下，曲线也能有较好的分辨率。在对数坐标下，负载曲线不再是一条简单的直线，将不容易画出。那么如何才能预测一个给定负载的输出摆幅呢？

如果设计师愿意花些时间在器件性能和外部电路要求之间反复进行摆幅预测，会得到一个十分精确的结果。这里，我将利用一些实例说明如何进行这种预测。

图2：预测给定负载上的输出电压摆幅的实例。

考虑如图2a的应用，其中LMH6642被用来驱动一个R_L=100Ω并与V_s/2(1/2电源电压)相连的负载。假设此情况下LMH6642的输出被偏置在V_s/2或5V：

问题是设计师能够使用图1中所示的LMH6642的数据来估计可能的最大输出摆幅吗？答案是肯定的。

为了估计摆幅，要创建一张表(表1)，它由输出摆幅的初始猜测值开始(第2列)，接着是对猜测值的一系列修正(比较第3列和第5列，结果由第6列显示)。

表1： 使用迭代来预测图2a的输出摆幅(LMH6642)。

重复这一过程，直至在所给的条件下，器件特性与负载要求一致，便在第2列的底部得到了最终的结果，这样就完成了对摆幅的估算。因此，表１中的反复结果显示，图2a中的电路能在100Ω的负载上产生最高8.75V的电压。转换成峰峰值是7.5V_PP{=(8.75-5)V x 2=7.5V_PP}。

下面列出了表1中所使用方法的一些注意事项：对于图2a中的电路，只能提供源电流。因此，只使用了图1a。在每种情况下，在图1中假设最差的温度情况来计算第5列的数值。第5列中的数值是在图1a中将第4列的值作为y轴，然后从图中读出的。第2列中的最终结果，也就是第4次迭代的值，还是一个近似解，因为第3列(87.5mA)中的数值仍比第5列(90mA)低。但是，图中的分辨率已经不允许再对这个结果进行细调。

现在我们对刚才讨论的实例稍做变化，假设LMH6642的输出负载不变，但信号经过交流耦合的情况，如图2b所示。预测输出摆幅的方法与前面相同，只是由于交流耦合负载只能"看到"信号的摆幅，输出电压的直流分量(偏置)被交流耦合电容阻挡，因此表中的一些条目(第3列)需要被修改。此外，还要注意交流耦合负载需要LMH6642的输出能接受和提供电流(与图2a中只需要输出提供电流的应用不同)。因此，选择源电流和漏电流特征中较小的一个数值，填入表2中的第5列。

表2：使用迭代预测图2b的输出摆幅。

第2列中的最终结果(9.6V)对应于交流耦合负载上9.2V_PP{=(9.6-5)V*2=9.2V_pp}的输出摆幅，像所预期的那样，要比前面所讨论的直流耦合负载的实例中的值(7.5V_PP)大，原因是没有直流负载。

使用这些可选的输出能力图估算摆幅的过程，与前面给出的实例十分相似，都是使用反复方式对初始的猜测值进行细调。

如何测量输出参数

运放数据手册中的输出参数通常用一些根据合理数量的单位计算出的图来表示。数据手册中的图可以说是属于"线性"工作区，因为它们显示的是闭环工作条件下的典型特征。当然，大多数运放是在闭环条件下工作的，但是在某些特定的应用中，也需要在开环条件下工作。这意味着运放不能像通常那样，保持输入端之间的电压差为0。这是由于快速的输入变化要求运放的输出在很短的时间内改变。这就是说，环路是开放的，同时输出向最终值变化，在这段时间内，输入端之间会有一个很大的电压差。一旦达到最终的输出值，输入电压差又会再次减小到非常接近于0V(即输出电压除以运放很大的开环增益)。

像前面所解释的那样，一些运放由于架构的原因，在"开环"条件下能明显地提供更高的电流。但是在被用来在一个负载上维持一定量的电压摆幅这样的稳定正常的闭环条件下，输出电流能力必须在很小的输入过驱动电压条件下被确定。输入过驱动电压要大于运放输入级的输入失调电压，但不能太大，否则会影响电流能力。

为了得到输出特征图，制造商会使用开环或闭环结构进行测量。只要遵循输入过驱动电压的要求，得到的结果是相同的。如图3a所示，在测量开环输出电流时，待测器件(DUT)的输出连接一个可变的电流源(或电流沉)发生器(G_o)，并由双电源供电。

图3：测量输出特征。

只需在输入端施加足够的差分电压，来克服输入失调电压并"产生"输出(对于源电流能力的测试，朝向正电源；对于输出阱电流的测试，朝向负电源)。此电压被称作"输入过驱动电压"(V_ID)。大多数运放需要大约20mV左右的输入过驱动电压来达到完全电流输出能力。为了支持较小的输出失真，在指定输出电流时，输入过驱动电压应小于+/-20mV。在这些条件下，输出电流源(电流阱)发生器可以在适当的范围内进行扫描，并且记录每个扫描点的输出电压。将输出电压(直接给出或是与之对应的电源电压之间的关系)与对应的发生器的输出电流画在图上，就得到了输出特征图。如果允许电流源(电流阱)发生器提供一个足够大的电流，最终得到的点的输出电压会精确地等于V+和V-之和的1/2(在电源对称的系统中就是地)。这一点对应的电流值就是数据手册上的"输出短路电流"，大多数运放的数据手册中通常会提供这个数值。如图1所示，输出短路电流大约为100mA，与之相对应的纵轴坐标为5V(对于+/-5V的电源)。