运算放大器的功率耗散“最大值”是多少

Thomas Kuehl

在将一个运算放大器设计成为全新应用时经常被问到的两个问题是：

他的功率耗散“典型值”是多少？在我的第一个帖子进行了介绍。

他的功率耗散“最大值”是多少？

应该在目标电路中评估运算放大器的最大功率。我们假定放大器运行的第一种情况是这样的。我们将最低负载电阻RL加载到输出上，正如OPA 316电气特性表中所列出的那样。这个表格中列出的值为2 kΩ（红色椭圆中的值）。

当VS 和 IQ为最大值，并且输出被偏置到Vs+电源电压一半的dc电平时，将出现最大功率耗散。图2显示出OPA316被配置为单电源，非反向放大器。其输出正在驱动一个对地为2 kΩ的等效负载，此负载由RL与RF和RI串联形成的电阻并联而成。此非反向输入由一个+1.375Vdc电源驱动，由于有2倍增益，这个值在输出上表现为2.75V。OPA316的输出晶体管中的一个使电流流经对地为2kΩ等效负载电阻，RL（EQV）。在其源极和漏极之间有2.75V电压。

图2显示了用来确定OPA316功率耗散的电路。

图2 – 驱动2kΩ（等效）负载时OPA316的功率耗散

此放大器功率耗散的计算方法为：

计算出传递给负载的电流IO

VO = 2.75 V， RL = 5 kΩ， RF = 1.67 kΩ， Ri = 1.67 kΩ

IO = IRL + IFB = （VO/ RL） + ［VO/ （RF + Ri ）］ = （2.75 V/ 5 kΩ） + ［2.75 V/ 2（1.67 kΩ）］

IO = 550 uA + 832.4 uA = 1.373 mA

Iq（max） = 500 uA（来自数据表）

PD（max） = ［（Vs+） * Iq（max）］ + ［（（Vs+） - VO） * IO］ = ［（5.5 V） （500 uA）］ + ［（5.5 V - 2.75 V） * 1.373 mA］ = 6.5 mW

功率耗散很低，只是静态水平的大约3.2倍。这也许不是用户正在寻找的最差耗散情况，但却是个好的开始。

最差情况经常在输出被短接到地或短接到电源轨时出现。目前类似于OPA316的运算放大器的额定值能够耐受短接至地的输出，而不被损坏。OPA316短路信息在绝对最大值额定值数据表中列出。

输出电流Io不受限制，但是具有有限的短路电流值，Isc；放大器在对地短接时能够传送的最大电流。内部输出晶体管特性以及电路设计规定了Isc的值。上面显示的电气特性表列出OPA316的Isc值为±50mA（蓝色椭圆内的值）。

由于输出被强制为0V，没有电流流经反馈路径电阻器，或者说是RL。全部电路功率由OPA316在内部消耗掉。图3显示了一个短路连接。需要注意的是，整个5.5V电源电压被强加在拉出Isc电流的输出晶体管上。其功率耗散PD（XSTR）会很大。

图3-输出短路情况下的 OPA316

现在在输出短路的情况下计算PD：

IO = ISC ≈ 50 mA

PD（XSTR） = V（XSTR） ∙ ISC = 5.5 V （50 mA） = 275 mW

PQ（MAX） = （Vs+） IQ（MAX） = 5.5 V ∙ 500 uA = 2.75 mW

PD（MAX） = PQ（MAX） + PD（XSTR） = 2.75 mW + 275 mW = 278 mW

这个PD电平是从线性dc负载示例中获得的电平的43倍。

但是放大器在这种情况下能正常使用吗？晶体管结温，Tj的计算结果应该会告诉我们答案：

Tj = Ta + PD∙θja

Ta = 环境温度，典型值25 °C

θja = 热阻抗，263 °C/W

θja 值在采用SC70-5封装的OPA316热信息表中列出

Tj = 25 °C + （0.278 W）（263 °C/W） = 98.1 °C

这一值远远低于数据表中列出的150 °C Tj最大值。运算放大器应该还可以。Tj会接近150 °C的唯一可能情况就是Ta已经升高了50 °C。

简单dc分析威廉希尔官方网站 可以帮助用户理解他们应用电路中所使用的运算放大器的功率耗散。此数据表经常提供执行这些计算所需要的全部内容。涉及ac信号的功率耗散确定会更加复杂，这是因为其中的时间要素。这样的分析通常要采用积分技巧。然而，dc分析将常常提供最差情况的耗散信息。