發布日期：2022-10-09 點擊率：70
【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。
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。
靜態電流與靜態功耗
靜態電流（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2.180 ADA4807靜態電流與溫度
靜態功耗（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2.181 ADA4077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2.182 ADA4077瞬態分析的靜態功率計算結果
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2.186 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境相符合。
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