在电路中挑选运算扩大器(运放)来完成某一特定功用时，最具挑战性的挑选标准之一是输出电流或负载驱动才干。运放的大多数功用参数一般都会在数据手册、功用图或运用指南中明确地给出。规划者须依据输出电流并一起参考运放的其他各类参数，以满意数据手册中所规则的产品功用。不同半导体制作商所供给的器材之间，乃至同一家制作商所供给的不同器材之间的输出电流都存在很大差异，这使得运放的规划和运用变得愈加杂乱。本文将经过一些实例解说怎么依据运放的功用参数对所需进行规划的电路的驱动才干进行评价，然后协助规划者保证自己所挑选的产品，在所有状况下都具有满意的负载驱动才干。
哪些要素影响驱动才干
输出驱动才干是一系列内部和外部设定值或条件的函数。输出级的偏置电流、驱动级、结构和工艺都归于内部要素。一旦挑选了一种器材来完成某一特定的功用，规划者就无法再改动这些影响输出驱动才干的内部条件。大多数低功耗运放的输出驱动才干较差，其间一个原因便是它们的输出级的偏置电流较小。另一方面，高速运放一般具有较高的驱动才干，可满意高速电路的低阻要求。高速运放一般具有较高的电源作业电流，这也会进步输出驱动才干。
传统上，集成化PNP级比NPN晶体管的功用要差。在这样的工艺下，PNP输出晶体管与NPN比较，越低的β值，意味着输出驱动才干会不平衡。满摆幅输出的运放一般会将晶体管的集电极作为输出管脚，功用较差的PNP管会导致供给源电流(source current)的才干比供给阱电流(sink current)的才干差。关于非满摆幅器材，状况恰好相反，因为大多数器材运用PNP晶体管的发射极输出，大大地影响了阱电流特性，因而它们输出阱电流的才干较差。而且，当估量器材的输出电流才干时，器材之间的功用动摇也应考虑在内。因而规划者在依据典型的数据手册标准挑选器材的一起，还必须考虑限值和最小标准，以保证所运用的每个器材在出产时都具有满意的驱动才干。
除上面所列的内部要素之外，一些外部要素也会影响驱动才干。其间一些可以被操控，以优化输出驱动才干，而其他的就很难操控。下面列出了影响输出驱动才干的外部要素：相关于相应电源电压的输出电压余量(相关于电源电压的差值)；输入过驱动电压；总电源电压；直流与沟通耦合负载；结温。
输出驱动才干一般以输出短路电流的办法给出。此刻，制作商指定当输出接地(在单电源供电的状况下为1/2电源电压，称作Vs/2)时所能供给的电流值。制作商或许会供给两个数值，一个代表源电流(一般前面会有+)，另一个代表阱电流(一般前面会有-)。在负载上电压摆幅很小的运用中，输出级驱动器相关于电源电压(源电流为V+，漏电流为V-)会有很大的电压差，此刻用户可以运用这一数据来有效地猜想此运放的功用。试想运放带一个很大负载而且该负载被一个挨近地(或在单电源状况下为Vs/2)的电压驱动的状况。假如扩大级的负载是逐渐改动的，能向负载供给的电流将与运放数据手册中输出短路电流所给出的电流值共同。一旦输出开端随之改动，将发生两个状况：运放的输出电压余量减小；运放的输入过驱动电压减小。
因为前一个原因所能供给的输出电流将减小，这还与运放的规划有关，如后者中所述，过驱动电压的减小也会引起输出电流的减小。
另一种更有用的确认电流才干的办法，是运用输出电流和输出电压图。图1显现了美国国家半导体公司的LMH6642的输出电流和输出电压图。关于大多数器材，一般会对源电流(图1a)和阱电流(图1b)这两种状况别离给出一张图。
图1：LMH6642的输出特征。
运用这种图，就可以预算出关于给定的输出摆幅运放所能供给的电流。这些图由半导体制作商供给，用来显现扩大器的输出电流才干与输出电压之间的联系。
请留意，在图1中，描绘了来自V+的Vout与输出源电流的联系，以及来自V–的Vout与输出阱电流的联系。用这种办法来表明数据的原因之一是，和输出电压相关于地的表明办法比较，它能被更简单地运用于单电源或双电源操作。另一个原因是因为电压余量比总的电源电压关于输出电流的影响要大得多，因而关于恣意的电源电压，即便在数据手册上找不到准确对应的条件，这种数据手册示办法也能使规划者经过一组最挨近的曲线来进行大略的核算。
图1可以用来猜想一个给定负载上的电压摆幅。假如坐标轴是线性的，规划者只需求在图1的特征曲线上加上一条负载曲线，经过这两条曲线的交点就能确认电压摆幅。但如图所示，许多状况下，特别当运放是满摆幅输出时，两条坐标轴都运用对数坐标，以使得在输出电流很小、输出只需几毫伏的状况下，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略的直线，将不简单画出。那么怎么才干猜想一个给定负载的输出摆幅呢？
假如规划师乐意花些时刻在器材功用和外部电路要求之间重复进行摆幅猜想，会得到一个十分准确的成果。这儿，我将运用一些实例阐明怎么进行这种猜想。
图2：猜想给定负载上的输出电压摆幅的实例。
考虑如图2a的运用，其间LMH6642被用来驱动一个RL=100Ω并与Vs/2(1/2电源电压)相连的负载。假定此状况下LMH6642的输出被偏置在Vs/2或5V：
问题是规划师可以运用图1中所示的LMH6642的数据来估量或许的最大输出摆幅吗？答案是必定的。
为了估量摆幅，要创立一张表(表1)，它由输出摆幅的初始猜想值开端(第2列)，接着是对猜想值的一系列批改(比较第3列和第5列，成果由第6列显现)。
表1： 运用迭代来猜想图2a的输出摆幅(LMH6642)。
重复这一进程，直至在所给的条件下，器材特性与负载要求共同，便在第2列的底部得到了终究的成果，这样就完成了对摆幅的预算。因而，表１中的重复成果显现，图2a中的电路能在100Ω的负载上发生最高8.75V的电压。转换成峰峰值是7.5VPP{=(8.75-5)V x 2=7.5VPP}。
下面列出了表1中所运用办法的一些留意事项：关于图2a中的电路，只能供给源电流。因而，只运用了图1a。在每种状况下，在图1中假定最差的温度状况来核算第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列中的终究成果，也便是第4次迭代的值，仍是一个近似解，因为第3列(87.5mA)中的数值仍比第5列(90mA)低。可是，图中的分辨率现已不答应再对这个成果进行细调。
现在咱们对方才评论的实例稍做改动，假定LMH6642的输出负载不变，但信号经过沟通耦合的状况，如图2b所示。猜想输出摆幅的办法与前面相同，仅仅因为沟通耦合负载只能看到信号的摆幅，输出电压的直流重量(偏置)被沟通耦合电容阻挠，因而表中的一些条目(第3列)需求被修正。此外，还要留意沟通耦合负载需求LMH6642的输出能承受和供给电流(与图2a中只需求输出供给电流的运用不同)。因而，挑选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：运用迭代猜想图2b的输出摆幅。
第2列中的终究成果(9.6V)对应于沟通耦合负载上9.2VPP{=(9.6-5)V*2=9.2Vpp}的输出摆幅，像所预期的那样，要比前面所评论的直流耦合负载的实例中的值(7.5VPP)大，原因是没有直流负载。
运用这些可选的输出才干图预算摆幅的进程，与前面给出的实例十分类似，都是运用重复办法对初始的猜想值进行细调。
怎么丈量输出参数
运放数据手册中的输出参数一般用一些依据合理数量的单位核算出的图来表明。数据手册中的图可以说是归于线性作业区，因为它们显现的是闭环作业条件下的典型特征。当然，大多数运放是在闭环条件下作业的，可是在某些特定的运用中，也需求在开环条件下作业。这意味着运放不能像一般那样，坚持输入端之间的电压差为0。这是因为快速的输入改动要求运放的输出在很短的时刻内改动。这便是说，环路是敞开的，一起输出向终究值改动，在这段时刻内，输入端之间会有一个很大的电压差。一旦到达终究的输出值，输入电压差又会再次减小到十分挨近于0V(即输出电压除以运放很大的开环增益)。
像前面所解说的那样，一些运放因为架构的原因，在开环条件下能明显地供给更高的电流。可是在被用来在一个负载上保持一定量的电压摆幅这样的安稳正常的闭环条件下，输出电流才干必须在很小的输入过驱动电压条件下被确认。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，否则会影响电流才干。
为了得到输出特征图，制作商会运用开环或闭环结构进行丈量。只需遵从输入过驱动电压的要求，得到的成果是相同的。如图3a所示，在丈量开环输出电流时，待测器材(DUT)的输出衔接一个可变的电流源(或电流沉)发生器(Go)，并由双电源供电。
图3：丈量输出特征。
只需在输入端施加满意的差分电压，来战胜输入失调电压并发生输出(关于源电流才干的测验，朝向正电源；关于输出阱电流的测验，朝向负电源)。此电压被称作输入过驱动电压(VID)。大多数运放需求大约20mV左右的输入过驱动电压来到达彻底电流输出才干。为了支撑较小的输出失真，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)发生器可以在恰当的规模内进行扫描，而且记载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联系)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。假如答应电流源(电流阱)发生器供给一个满意大的电流，终究得到的点的输出电压会准确地等于V+和V-之和的1/2(在电源对称的体系中便是地)。这一点对应的电流值便是数据手册上的输出短路电流，大多数运放的数据手册中一般会供给这个数值。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(关于+/-5V的电源)。
图3b中的设置与图3a中的类似，也能被用来丈量输出特征。两种设置的不同在于，在图3b的电路中，DUT的环路经过RF和RG闭合。为了丈量一个给定VOUT下的输出电流才干，需求设置恰当的VIN来得到所需的VOUT。Go会一向增大直到到达所需的输入过驱动电压(VID)(一般小于+/-20mV，并大于输入失调电压，其值可以经过VOUT的下降(ΔVOUT)测得)。RF和RG的数值已知状况下，输入过驱动电压(VID)与VOUT下降之间的联系为：
VID= ( VOUT/(1+RF/RG)，其间( VOUT是因为Go增大所引起的VOUT的改动
例如，当RF=10K、RG=1K时，假如Vin =-0.3V，则输出将为3V。所需的20mV的输入过驱动电压对应于由Go的电流改动所引起的输出电压220mV{=20mV * (1+10)= 220mV}的改动，或VOUT= 2.78V。
值得留意的是，一些专门为低功耗运用所规划的高压摆率的电压反应运放，在前端运用了压摆率增强电路。这样能使运放节约功耗，并发生高速的大信号输出摆幅(换句话说便是高压摆率)。例如美国国家半导体公司的两款高速运放LM7171和LMH6657。为了到达上述意图，大输入摆幅增加了向内部补偿节点的电容所供给的电流，这一%&&&&&%一般是用来约束运放压摆率的。因而，这一类器材的压摆率与输入过驱动电压相关。
图4：LMH6657的压摆率与输入过驱动电压的联系反映出压摆率的增强。
图4是LMH6657数据手册中所给出的压摆率与输入过驱动电压的函数联系。
因而，在输入过驱动电压和输出压摆率较大的状况下，这类器材的输出电流才干也得到了进步。
图5：两个不同的输入过驱动电压下，LMH6657的输出供给电流特征。
图5显现了在两个不同的输入过驱动电压下，LMH6657的输出供给电流才干(IOUT)与输出电压之间的联系，从中可以看出，较大的输入过驱动电压增大了输出电流(图中表现为关于相同的IOUT，输出电压到电源电压的余量要小)。这儿没有给出承受电流特征，但成果是类似的。
与惯例的电压反应运放比较，更需求保证这类器材的输出特征被正确地了解。经过增大输入过驱动电压可以得到额定的输出驱动才干。可是，当进行像在负载上保持一个稳态摆幅这样的失真很小的闭环作业时，却需求很小的输入过驱动电压(前面现已提到过+/-20mV)。在输入过驱动电压很大的条件下指定的输出才干只能用于瞬态行为，此刻输出没有到达终究值，一旦输出到达终究值，输入过驱动电压就会下降到20mV以下。因而，当在稳态输出电流而不是瞬态行为十分重要的运用中，评价这类器材的功用时，需求留意输入过驱动条件。
电流反应(CFB)运放的输出特征的丈量办法与上面所给出的办法十分类似。图6显现了进行这一丈量时所运用的设置。
图6：丈量CFB运放的输出特征。
CFB的结构是由一个坐落正向和反向输入端之间增益为1的缓存器构成的，电阻RG使得电流可以流过反向端口。设置VIN的值大于输入失调电压，电流就会从反向输入端口流出，而且输出会向正电源电压V+增加(即会尽或许地接近V+)。像前面所解说的电压反应(VFB)运放的状况相同，电流发生器Go会对一系列合适DUT的电流值进行扫描，得到输出供给电流才干与输出电压之间的联系。经过倒置VIN的极性并将Go设置成向DUT的输出管脚供给电流，就可以确认承受电流才干。留意，关于CFB结构，输入过驱动电压关于输出特征的影响比VFB结构要小。
输出才干和运放的宏模型：
美国国家半导体公司向用户供给的Pspice宏模型，可以很好地猜想运放的许多参数，输出特征是其间之一。关于咱们一向在评论的LMH6642，图7给出了由美国国家半导体公司的Pspice模型所猜想的输出特征。
在树立Pspice宏模型时，咱们力求使图7中所示的模型曲线与图1中所示的典型的器材特性相符合。可是，仔细观察就会发现，图7中的曲线与图1中的典型特征曲线比较仍是过于理想化。关于咱们尽力想要建模的参数来说，Pspice宏模型只能供给有限的精度。此外，一般而言，Pspice的输出电流模型，没有包含内置压摆率增强特性的器材中过度的输入过驱动电压会增强输出驱动才干的效应。
只需运放的宏模型中包含了这一行为，运用Pspice模仿可以直接快速地估量出一系列电阻负载上的输出电压摆幅(而不是像图7中显现的输出才干)。当LMH6642作业于图1A所示的电路条件下，附录B中所示的Pspice仿真文件是一种得到一系列电阻负载上的最大输出摆幅的可行办法(电阻规模为60~100欧姆，步长为10欧姆)。图8显现了Pspice所发生的成果图。
从这幅图中，规划者可以直接读取所指定的不同负载的输出电压摆幅，并画出如图9所示的摆幅与负载的联系图。关于一个100欧姆的负载，将Pspice所猜想的9.48V的摆幅(如图9所示)与前面的迭代剖析所猜想的8.75V(如表1所示)的摆幅进行比较。当将Pspice的成果与数据表上的典型标准进行比较时，呈现大约8%的距离是很遍及的状况。
作者：
Hooman Hashemi
首席运用工程师
美国国家半导体公司
