放大器静态功耗,输出级晶体管功耗与热阻的影响评估
放大器参数解析与LTspice仿真 2022-09-27
    放大器参数性能通常会受温度影响,而温度的变化来源包括环境温度波动,以及芯片自身总功耗和散热能力限制。其中放大器的总功耗包括静态功耗、输出级晶体管功耗,本篇将讨论二者与热阻参数对温度影响的评估方法。

    1 静态电流与静态功耗

    静态电流(Quiescent current,Iq),也称为供电电流(Supply Current, Isy)是指单个放大器不带负载(Iout为0)时,放大器内部所消耗的电流。

    通常放大器静态电流大小与压摆率呈正相关关系。如《深究|为什么放大器压摆率会受到输入端大信号的限制?》中所述,压摆率限制是发生在放大器内部放大级米勒补偿电容Cc的充电电流Ic达到饱和时。所以Ic越大压摆率越高,需要的静态电流越大。如表2.10,列举部分精密放大器的压摆率与静态电流的典型值。

表2.10 放大器压摆率与静态电流

    静态电流还会受到温度的影响。如图2.180为ADA4807静态电流与温度关系,供电电源分别为±1.5V、±2.5V、±5V时,静态电流都随温度上升而变大。

图2.180 ADA4807静态电流与温度

    静态功耗(Quiescent Power,Pq)是指放大器输出不驱动负载时,内部电路所消耗的功耗,如式2-100。

    其中,Vsy为放大器的供电范围,即Vcc与Vee之差。

    如图2.4,25℃环境中,ADA4077使用±15V供电,静态电流的典型值为400μA。代入式2-99,通过计算静态功耗为12mW。使用LTspice进行瞬态分析之后,计算ADA4077静态功率如图2.181。

图2.181 ADA4077静态功耗仿真电路

    功率计算结果如图2.182,ADA4077静态功耗的平均值为10.84mW,接近ADA4077静态功耗的计算值。

图2.182 ADA4077瞬态分析的静态功率计算结果

    2 短路电流、输出电流与输出级晶体管功耗

    短路电流(Short-Circuit Current,Isc)定义为放大器输出与地、电源的两个端电压之一或者特定电位短接时,放大器可以输出的最大电流值。

    输出电流(Output Current,Iout)定义为放大器输出端所取出的电流值。输出电流值必须小于短路电流值,放大器才能工作正常。放大器输出电流有两种形式,分别是流出电流“Source”为正值,与灌入电流“sink”为负值。二者参数值可以不相等,如图2.160, ADA4807流出电流50mA,灌入电流为60mA。

图2-160  ADA4807 输出特性

    输出级晶体管功耗定义为放大器在指定输出电流Iout网络中,放大器内部所消耗的功耗。如图2.183。

图2.183放大器直流功耗分析电路

    放大器流出的电流Iout,为式2-101。

    放大器自身消耗的电压落差,为式2-102。

    通过式2-101与式2-102,计算输出级晶体管功耗,为式2-103。   

    其中,RL为放大器输出端的等效电阻,阻值为R1与Rf阻值之和,与负载电阻Rload的并联值。

    如图2.183,根据电路配置可知Vout为1V,RL为1.333KΩ,代入是2-102计算ADA4077直流功耗为10.5mW。

    3 热阻

    芯片热阻定义为热量在从晶圆结点传导至环境空气遇到的阻力。表示为θJA,即结至环境热阻,单位是℃/W。进一步分析晶圆结点至环境空气热传导过程,如图2.185。

图2.185 芯片热力学模型

    PN节总功耗(Pd)导致温度上升将向芯片的封装进行热传递,过程中遇到的阻力为节至外壳的热阻θJC。外壳温度上升将周围环境进行热传递,过程中遇到的阻力为外壳至环境的热阻θCA。散热过程如式2-104。

    如图2.186,ADA4077不同封装的节至外壳的热阻,外壳至环境的热阻。

图2.186ADA4077 不同封装热阻

   如果在室温25℃条件下,选择8-Lead MSOP封装ADA4077实现图2.183电路,输出级晶体管功耗为10.5mW,静态功耗为12mW,θJC为44℃/W,θCA为190℃/W,代入式2-104计算芯片内部结温为:

    如上,精密测量电路的放大器功耗影响通常较小,而高速采集电路的放大器与ADC功耗较大,影响就不能忽视,需要根据应用电路具体分析。另外,不论是精密测量,还是高速采集电路,还应考虑板卡中电源,主控等高功耗芯片对电路工作温度的影响,才能确保所使用的参数与硬件实际工作环境相符合


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