放大器静态功耗，输出级晶体管功耗与热阻的影响评估
放大器静态功耗，输出级晶体管功耗与热阻的影响评估
放大器的性能会受到温度的影响，而温度的变化主要来源于环境温度波动以及芯片自身的功耗和散热能力。本文将详细讨论放大器的静态功耗、输出级晶体管功耗以及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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。