【導讀】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(huán)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(tài)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。
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(huán)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(tài)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。
靜態(tài)電流與靜態(tài)功耗
靜態(tài)電流(Quiescent current,Iq),也稱為供電電流(Supply Current, 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(tài)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(fā)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(tài)電流越大。如表2.10,列舉部分精密放大器的壓擺率與靜態(tài)電流的典型值。
表2.10 放大器壓擺率與靜態(tài)電流
靜態(tài)電流還會受到溫度的影響。如圖2.180為ADA4807靜態(tài)電流與溫度關系,供電電源分別為±1.5V、±2.5V、±5V時,靜態(tài)電流都隨溫度上升而變大。
圖2.180 ADA4807靜態(tài)電流與溫度
靜態(tài)功耗(Quiescent Power,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(huán)境中,ADA4077使用±15V供電,靜態(tài)電流的典型值為400μA。代入式2-99,通過計算靜態(tài)功耗為12mW。使用LTspice進行瞬態(tài)分析之后,計算ADA4077靜態(tài)功率如圖2.181。
圖2.181 ADA4077靜態(tài)功耗仿真電路
功率計算結果如圖2.182,ADA4077靜態(tài)功耗的平均值為10.84mW,接近ADA4077靜態(tài)功耗的計算值。
圖2.182 ADA4077瞬態(tài)分析的靜態(tài)功率計算結果
短路電流、輸出電流與輸出級晶體管功耗
短路電流(Short-Circuit Current,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,放大器可以輸出的最大電流值。
輸出電流(Output Current,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。
熱 阻
芯片熱阻定義為熱量在從晶圓結點傳導至環(huán)境空氣遇到的阻力。表示為θJA,即結至環(huán)境熱阻,單位是℃/W。進一步分析晶圓結點至環(huán)境空氣熱傳導過程,如圖2.185。
圖2.185 芯片熱力學模型
PN節(jié)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(jié)至外殼的熱阻θJC。外殼溫度上升將周圍環(huán)境進行熱傳遞,過程中遇到的阻力為外殼至環(huán)境的熱阻θCA。散熱過程如式2-104。
如圖2.186,ADA4077不同封裝的節(jié)至外殼的熱阻,外殼至環(huán)境的熱阻。
圖2.186 ADA4077不同封裝熱阻
如果在室溫25℃條件下,選擇8-Lead MSOP封裝ADA4077實現圖2.183電路,輸出級晶體管功耗為10.5mW,靜態(tài)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:
如上,精密測量電路的放大器功耗影響通常較小,而高速采集電路的放大器與ADC功耗較大,影響就不能忽視,需要根據應用電路具體分析。另外,不論是精密測量,還是高速采集電路,還應考慮板卡中電源,主控等高功耗芯片對電路工作溫度的影響,才能確保所使用的參數與硬件實際工作環(huán)境相符合。
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