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      類型分類:
      科普知識
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      晶體管

      放大器靜態功耗,輸出級晶體管功耗與熱阻的影響評估

      發布日期:2022-10-09 點擊率:54

      【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。

       

       放大器靜態功耗,輸出級晶體管功耗與熱阻的影響評估 
      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。

       

      放大器靜態功耗,輸出級晶體管功耗與熱阻的影響評估

      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。

       

      放大器靜態功耗,輸出級晶體管功耗與熱阻的影響評估

       

      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。

       

      放大器靜態功耗,輸出級晶體管功耗與熱阻的影響評估

      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。

       

      放大器靜態功耗,輸出級晶體管功耗與熱阻的影響評估

      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。

       

      放大器靜態功耗,輸出級晶體管功耗與熱阻的影響評估

      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。

       

      放大器靜態功耗,輸出級晶體管功耗與熱阻的影響評估

      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。

       

      放大器靜態功耗,輸出級晶體管功耗與熱阻的影響評估

       

      放大器自身消耗的電壓落差,為式2-102。

       

      放大器靜態功耗,輸出級晶體管功耗與熱阻的影響評估

       

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

       

      放大器靜態功耗,輸出級晶體管功耗與熱阻的影響評估

       

      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。

       

      放大器靜態功耗,輸出級晶體管功耗與熱阻的影響評估

      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。

       

      放大器靜態功耗,輸出級晶體管功耗與熱阻的影響評估

       

      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。

       

      放大器靜態功耗,輸出級晶體管功耗與熱阻的影響評估

      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:

       

      放大器靜態功耗,輸出級晶體管功耗與熱阻的影響評估

       

      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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