放大器靜態(tài)功耗，輸出級晶體管功耗與熱阻的影響評估

放大器參數(shù)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(shù)對溫度影響的評估方法。

1、靜態(tài)電流與靜態(tài)功耗

靜態(tài)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(nèi)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(guān)關(guān)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(nèi)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(guān)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2.180ADA4807靜態(tài)電流與溫度

靜態(tài)功耗（QuiescentPower,Pq）是指放大器輸出不驅(qū)動負載時，內(nèi)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2.181ADA4077靜態(tài)功耗仿真電路

功率計算結(jié)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2.182ADA4077瞬態(tài)分析的靜態(tài)功率計算結(jié)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，放大器可以輸出的最大電流值。

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(shù)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(wǎng)絡(luò)中，放大器內(nèi)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(lián)值。

如圖2.183，根據(jù)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(jié)點傳導(dǎo)至環(huán)境空氣遇到的阻力。表示為θJA，即結(jié)至環(huán)境熱阻，單位是℃/W。進一步分析晶圓結(jié)點至環(huán)境空氣熱傳導(dǎo)過程，如圖2.185。

圖2.185芯片熱力學(xué)模型

PN節(jié)總功耗（Pd）導(dǎo)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2.186ADA4077不同封裝熱阻

  如果在室溫25℃條件下，選擇8-LeadMSOP封裝ADA4077實現(xiàn)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(nèi)部結(jié)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(jù)應(yīng)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(yīng)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(shù)與硬件實際工作環(huán)境相符合。