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放大器靜態電流與靜態功耗的影響

發布時間: 2021/3/27 9:07:24 | 117 次閱讀

      放大器參數的性能通常會受溫度影響,而溫度的變化來源包括環境溫度波動,以及芯片自身總功耗和散熱能力限制。其中放大器的總功耗包括靜態功耗、輸出級晶體管功耗,本篇將討論二者與熱阻參數對溫度影響的評估方法。

       1、靜態電流與靜態功耗靜態電流(Quiescentcurrent,Iq),也稱為供電電流(SupplyCurrent,Isy)是指單個放大器不帶負載(Iout為0)時,放大器內部所消耗的電流。

       通常放大器靜態電流大小與壓擺率呈正相關關系。如《深究|為什么放大器壓擺率會受到輸入端大信號的限制?》中所述,壓擺率限制是發生在放大器內部放大級米勒補償電容Cc的充電電流Ic達到飽和時。所以Ic越大壓擺率越高,需要的靜態電流越大。如表2.10,列舉部分精密放大器的壓擺率與靜態電流的典型值。

 
表2.10放大器壓擺率與靜態電流

       靜態電流還會受到溫度的影響。如圖2.180為ADA4807靜態電流與溫度關系,供電電源分別為±1.5V、±2.5V、±5V時,靜態電流都隨溫度上升而變大。

 
圖2.180ADA4807靜態電流與溫度

       靜態功耗(QuiescentPower,Pq)是指放大器輸出不驅動負載時,內部電路所消耗的功耗,如式2-100。

       其中,Vsy為放大器的供電范圍,即Vcc與Vee之差。

       如圖2.4,25℃環境中,ADA4077使用±15V供電,靜態電流的典型值為400μA。代入式2-99,通過計算靜態功耗為12mW。使用LTspice進行瞬態分析之后,計算ADA4077靜態功率如圖2.181。

 
圖2.181ADA4077靜態功耗仿真電路

       功率計算結果如圖2.182,ADA4077靜態功耗的平均值為10.84mW,接近ADA4077靜態功耗的計算值。

 
圖2.182ADA4077瞬態分析的靜態功率計算結果

       2、短路電流、輸出電流與輸出級晶體管功耗短路電流(Short-CircuitCurrent,Isc)定義為放大器輸出與地、電源的兩個端電壓之一或者特定電位短接時,放大器可以輸出的較大電流值。

       輸出電流(OutputCurrent,Iout)定義為放大器輸出端所取出的電流值。輸出電流值必須小于短路電流值,放大器才能工作正常。放大器輸出電流有兩種形式,分別是流出電流“Source”為正值,與灌入電流“sink”為負值。二者參數值可以不相等,如圖2.160,ADA4807流出電流50mA,灌入電流為60mA。

 
圖2-160 ADA4807 輸出特性

       輸出級晶體管功耗定義為放大器在指定輸出電流Iout網絡中,放大器內部所消耗的功耗。如圖2.183。

 
圖2.183放大器直流功耗分析電路

       放大器流出的電流Iout,為式2-101。

       放大器自身消耗的電壓落差,為式2-102。

       通過式2-101與式2-102,計算輸出級晶體管功耗,為式2-103。

       其中,RL為放大器輸出端的等效電阻,阻值為R1與RF阻值之和,與負載電阻Rload的并聯值。

       如圖2.183,根據電路配置可知Vout為1V,RL為1.333KΩ,代入是2-102計算ADA4077直流功耗為10.5mW。

       3、熱阻芯片熱阻定義為熱量在從晶圓結點傳導至環境空氣遇到的阻力。表示為θJA,即結至環境熱阻,單位是℃/W。進一步分析晶圓結點至環境空氣熱傳導過程,如圖2.185。

 
圖2.185芯片熱力學模型

       PN節總功耗(Pd)導致溫度上升將向芯片的封裝進行熱傳遞,過程中遇到的阻力為節至外殼的熱阻θJC。外殼溫度上升將周圍環境進行熱傳遞,過程中遇到的阻力為外殼至環境的熱阻θCA。散熱過程如式2-104。

       如圖2.186,ADA4077不同封裝的節至外殼的熱阻,外殼至環境的熱阻。

 
圖2.186ADA4077不同封裝熱阻

       如果在室溫25℃條件下,選擇8-LeadMSOP封裝ADA4077實現圖2.183電路,輸出級晶體管功耗為10.5mW,靜態功耗為12mW,θJC為44℃/W,θCA為190℃/W,代入式2-104計算芯片內部結溫為:

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