放大器靜態(tài)功耗，輸出級(jí)晶體管功耗與熱阻的影響評(píng)估

放大器參數(shù)的性能通常會(huì)受溫度影響，而溫度的變化來(lái)源包括環(huán)境溫度波動(dòng)，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(jí)晶體管功耗，本篇將討論二者與熱阻參數(shù)對(duì)溫度影響的評(píng)估方法。

1、靜態(tài)電流與靜態(tài)功耗

靜態(tài)電流（Quiescentcurrent，Iq），也稱(chēng)為供電電流（SupplyCurrent,Isy）是指單個(gè)放大器不帶負(fù)載（Iout為0）時(shí)，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(huì)受到輸入端大信號(hào)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(jí)米勒補(bǔ)償電容Cc的充電電流Ic達(dá)到飽和時(shí)。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(huì)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(shí)，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(dòng)負(fù)載時(shí)，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(guò)計(jì)算靜態(tài)功耗為12mW。使用LTspice進(jìn)行瞬態(tài)分析之后，計(jì)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(jì)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(jì)算值。

圖2.182ADA4077瞬態(tài)分析的靜態(tài)功率計(jì)算結(jié)果

2、短路電流、輸出電流與輸出級(jí)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(gè)端電壓之一或者特定電位短接時(shí)，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(fù)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(jí)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(guò)式2-101與式2-102，計(jì)算輸出級(jí)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(fù)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(jì)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(diǎn)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(jìn)一步分析晶圓結(jié)點(diǎn)至環(huán)境空氣熱傳導(dǎo)過(guò)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(jìn)行熱傳遞，過(guò)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?chē)h(huán)境進(jìn)行熱傳遞，過(guò)程中遇到的阻力為外殼至環(huán)境的熱阻θCA。散熱過(guò)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(shí)現(xiàn)圖2.183電路，輸出級(jí)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(jì)算芯片內(nèi)部結(jié)溫為：

如上，精密測(cè)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(cè)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(duì)電路工作溫度的影響，才能確保所使用的參數(shù)與硬件實(shí)際工作環(huán)境相符合。