放大器参数与热阻参数对温度影响评估

放大器参数的性能通常会受温度影响，而温度的变化来源包括环境温度波动，以及芯片自身总功耗和散热能力限制。其中放大器的总功耗包括静态功耗、输出级晶体管功耗，本篇将讨论二者与热阻参数对温度影响的评估方法。

1 静态电流与静态功耗

静态电流（Quiescent current，Iq），也称为供电电流（Supply Current, Isy）是指单个放大器不带负载（Iout为0）时，放大器内部所消耗的电流。

通常放大器静态电流大小与压摆率呈正相关关系。如《深究|为什么放大器压摆率会受到输入端大信号的限制？》中所述，压摆率限制是发生在放大器内部放大级米勒补偿电容Cc的充电电流Ic达到饱和时。所以Ic越大压摆率越高，需要的静态电流越大。如表2.10，列举部分精密放大器的压摆率与静态电流的典型值。

表2.10 放大器压摆率与静态电流

静态电流还会受到温度的影响。如图2.180为ADA4807静态电流与温度关系，供电电源分别为±1.5V、±2.5V、±5V时，静态电流都随温度上升而变大。

图2.180 ADA4807静态电流与温度

静态功耗（Quiescent Power,Pq）是指放大器输出不驱动负载时，内部电路所消耗的功耗，如式2-100。

其中，Vsy为放大器的供电范围，即Vcc与Vee之差。

如图2.4，25℃环境中，ADA4077使用±15V供电，静态电流的典型值为400μA。代入式2-99，通过计算静态功耗为12mW。使用LTspice进行瞬态分析之后，计算ADA4077静态功率如图2.181。

图2.181 ADA4077静态功耗仿真电路

功率计算结果如图2.182，ADA4077静态功耗的平均值为10.84mW,接近ADA4077静态功耗的计算值。

图2.182 ADA4077瞬态分析的静态功率计算结果

2 短路电流、输出电流与输出级晶体管功耗

短路电流（Short-Circuit Current，Isc）定义为放大器输出与地、电源的两个端电压之一或者特定电位短接时，放大器可以输出的最大电流值。

输出电流（Output Current，Iout）定义为放大器输出端所取出的电流值。输出电流值必须小于短路电流值，放大器才能工作正常。放大器输出电流有两种形式，分别是流出电流“Source”为正值，与灌入电流“sink”为负值。二者参数值可以不相等，如图2.160， ADA4807流出电流50mA，灌入电流为60mA。

图2-160  ADA4807 输出特性

输出级晶体管功耗定义为放大器在指定输出电流Iout网络中，放大器内部所消耗的功耗。如图2.183。

图2.183放大器直流功耗分析电路

放大器流出的电流Iout，为式2-101。

放大器自身消耗的电压落差，为式2-102。

通过式2-101与式2-102，计算输出级晶体管功耗，为式2-103。  

其中,RL为放大器输出端的等效电阻，阻值为R1与Rf阻值之和,与负载电阻Rload的并联值。

如图2.183，根据电路配置可知Vout为1V，RL为1.333KΩ,代入是2-102计算ADA4077直流功耗为10.5mW。

3 热阻

芯片热阻定义为热量在从晶圆结点传导至环境空气遇到的阻力。表示为θJA，即结至环境热阻，单位是℃/W。进一步分析晶圆结点至环境空气热传导过程，如图2.185。

图2.185 芯片热力学模型

PN节总功耗（Pd）导致温度上升将向芯片的封装进行热传递，过程中遇到的阻力为节至外壳的热阻θJC。外壳温度上升将周围环境进行热传递，过程中遇到的阻力为外壳至环境的热阻θCA。散热过程如式2-104。

如图2.186，ADA4077不同封装的节至外壳的热阻，外壳至环境的热阻。

图2.186ADA4077 不同封装热阻

如果在室温25℃条件下，选择8-Lead MSOP封装ADA4077实现图2.183电路，输出级晶体管功耗为10.5mW，静态功耗为12mW，θJC为44℃/W,θCA为190℃/W,代入式2-104计算芯片内部结温为：

如上，精密测量电路的放大器功耗影响通常较小，而高速采集电路的放大器与ADC功耗较大，影响就不能忽视，需要根据应用电路具体分析。另外，不论是精密测量，还是高速采集电路，还应考虑板卡中电源，主控等高功耗芯片对电路工作温度的影响，才能确保所使用的参数与硬件实际工作环境相符合。