ZHCAC04A August   2022  – January 2023 OPA593

 

  1.   摘要
  2. 1引言
    1. 1.1 并联输出电路设计注意事项
  3. 2交流注意事项
  4. 3基准测试结果
  5. 4结论
  6. 5修订历史记录

并联输出电路设计注意事项

直接对两个功率运算放大器的输出进行硬接线并不是一种好的电气做法。如果两个运算放大器的输出直接连接在一起,则可能会导致不均匀的电流共享。这是因为其中的每个运算放大器都尝试强制施加略微不同的 Vout 电压,该电压取决于其各自的 Vos 电平。这种电流不平衡可能导致功率耗散不均和器件发热不均。

尽管运算放大器之间产生的 Vout 差可能很小,但从电气角度看,这相当于将两个阻抗很低的电压源直接连接。运算放大器输出阻抗 (Zcl) 非常低,由于每个运算放大器运行时具有高环路增益,因此通常为毫欧姆。如果每个运算放大器具有不同的闭环增益设置,则 Zcl 在这两种情况下会有所不同,领导者-跟随者配置就是如此。当输出之间的连接电阻几乎为零时,电流可能会非常高,并影响基本电路功能。增加的输出镇流电阻能在很大程度上减小流经两个输出之间的电流。

OPA593 领导者-跟随者并联输出电路如图 1-3 所示。直流电压和电流电平由 5V 直流输入产生,产生的输出电压 Vout 为 +50V。负载电流 I4 为 0.45A。通过增加电源可获得更高的输出电压,V+ 和 V– 引脚上的电压高达 85V。此配置中的两个 OPA593 运算放大器的输出电流高达 0.5A。

与任何电子元件一样,由于功率和热限制,必须考虑 OPA593 运算放大器和负载的功率耗散。每个 OPA593 消耗 1.25W,而本特定示例中,111Ω 负载电阻器消耗 22.5W。两个 OPA593 功率耗散变得非常高,如果电源电压和输出电压之间的差值较大且持续时间过长,它们将进入热关断状态。

请记住,所示电路的预期应用具有快速 ATE 测试序列,其中驻留时间仅为几毫秒。快速 ATE 测试序列中的平均功率耗散远低于在持续高功率耗散条件下运行时的平均功率耗散。

领导者-跟随者配置具有以下优点:

  • 与单个运算放大器类似,它可以连接为同相或反相放大器
  • 一组增益电阻器可确定整个放大器的总电压增益,从而消除匹配的电阻器组
图 1-3 领导者-跟随者并联输出放大器

图 1-3 中连接成同相放大器的 U1 领导者放大器的增益设置为 +10V/V。跟随者放大器 U2 是一个简单的增益为 +1V/V 的单位增益缓冲器。两个运算放大器 U1 和 U2 使用单独的 3.0Ω 输出镇流电阻器,符号为 Rb1 和 Rb2。尽管 OPA593 在室温下的典型 Vos (Ta = 25°C) 为 ±10μV,但可以增加到 ±350μV 的过热最大值。U1 和 U2 在整个温度范围内的 Vos 差可能更高,因此需要进行镇流,以更大程度地减小其输出之间可能发生的循环电流。

在电路图中,U1 的同相输入由 +5Vdc 电源供电。在 Rb1 的负载侧测量时,其输出电压为 10 × 5V(即 50V)。这是因为 Rb1 位于 U1 的反馈环路内。考虑到流经电阻器的电流发生变化时会使 Rb1 两端产生压降,U1 输出端的电压会进行调节。

跟随者放大器 U2 直接感测 U1 输出端的电压,然后 U2 的输出精确跟随。如果 U1 输出电压升高,U2 的输出电压也会升高,并对 Rb2 两端因 I2 增大而产生的压降进行补偿。I1 和 I2 同时流动,分别是总负载电流 I4(在本示例中为 450mA)的一半。U1 和 U2 电压输出上升至 +50.69V,对 Rb1 和 Rb2 两端在各自 I1 和 I2 输出电流下的 0.69V 压降进行补偿。

在一定程度上,可以自由选择 Rb1 和 Rb2 镇流电阻器 (Rbal) 阻值。以下是有助于确定其电阻的因素:

  • 务必将 Rb1 和 Rb2 设置为同一阻值。输出电流 I1 和 I2 之比与它们之间的电阻不匹配度成正比。1% 的电阻不匹配度会导致 1% 的电流不平衡。
  • 镇流电阻 (Rbal) 的阻值越高,压降 (VDROP) 越高,而且特定输出电流电平下的电阻器功率耗散 (PD) 就越高。如果电阻设置过高,VDROP 会限制最大 Vo 输出摆幅范围。
  • 驱动高容性负载时,Rbal 电阻的作用是像 U2 那样,在运算放大器环路后连接负载时增大相位裕度,或与 U1 一样,在环路内连接负载时减小相位裕度。使用更适合领导者-跟随者电路的折衷方案。有关详细信息,请参阅Topic Link Label2 - 交流注意事项
  • 图 1-3 中 Rb1 和 Rb2 使用的 3.0Ω Rbal 可在此 OPA593 0.5A(最大值)应用中实现性能与折衷之间的良好平衡。
  • 当应用的输出电流范围增大时,Rbal 电阻通常会更低。在此应用中,每个 OPA593 运算放大器使用的 3.0Ω Rbal 合理调整为 5A 应用值 (0.30Ω) 的十分之一。

领导者-跟随者电路的完整传递函数涉及的数学运算令人惊讶,但当简化为更简单的形式时,Vout 等于:

Vi = Vin 图 1-3

Vos1 = U1 的输入失调电压

Equation1. Vout=Vi R1×Rb1+R1×Rb2+R2×Rb1+R2×Rb2R2×Rb1+R2×Rb2+Vos1R1×Rb1+R1×Rb2+R2×Rb1+R2×Rb2R2×Rb1+R2×Rb2

如果 Rb1 = Rb2,则

Equation2. Vout=(Vi+Vos1)1+ R1R2

通过 Vout 公式可能无法立即看出的一点是,传递函数中没有 U2 失调电压 (Vos2)。完整的传递函数具有两个相等但符号相反的 Vos2 项,当 Rb1 等于 Rb2 时,它们直接相互抵消。

Vos2 抵消这一事实并不意味着它不会对电路产生影响。事实上,存在任何 Vos2 都会导致 U1 和 U2 输出电流不平衡。Vos2 失调电压越高,不平衡度越高。由于 OPA593 具有极低的 Vos,因此 Vos2 引起的不平衡非常小,不必担心。但是,对于具有大约毫伏级别或更高 Vos 的更高功率运算放大器而言,问题可能更为严重。