2.5 驱动与负载

本书简单地把前级电路叫作驱动，后级电路叫作负载。驱动会提供电压和电流，同样，负载也需要相应的电压或者电流输入。在模拟电路中，两级电路之间，需要考虑前一级电路的输出电阻，以及后一级电路的输入电阻。这些等效电阻，会影响到前后级电路的很多参数。

仿真时，电压源能持续提供稳定的电压，电流可以无穷大，但这在现实中并不存在。电压源有最大电流限制，电流源也同样有最大电压的限制。所以，前一级电路向下一级提供的电压和电流都是有限的。

2.5.1 驱动能力的限制

这里举两个简单的例子，比如说镜像电流源电路，简单镜像电流源如图2.5.1所示。负载电阻从100Ω开始逐渐增大，到4.7kΩ左右时，负载电流就无法维持镜像了。这是因为镜像电流大约为1mA，而电源只有5V，Q2的饱和压降约0.3V，那么提供给负载的最大电压也只有4.7V，所以，最大的负载电阻约为4.7V/1mA=4.7kΩ。

在运放电路中，比如运放工作在放大状态时存在“虚短”，即同相端和反相端的电位是相同的。实际上是运放的输出电压和电流来控制着同相端和反相端的电位趋于相同。比如一个简单的同相放大电路，如果反馈电阻和输入电阻选择的比较小，那么运放的输出端就不能提供足够大的电流使两个输入端电位相同，简单的同相放大器电路如图2.5.2所示。

可以计算出 V _out =（1+ R _f / R _in ）=6V，但是如果 R _f =50Ω，而 R _in =10Ω，那么输出电压就不满足这个要求，假如OP07的最大输出电流只有40mA，那么实际的输出电压最大也只有（50Ω+10Ω）×40mA=2.4V，是达不到放大倍数的。

另外，模拟电路的新手经常会忘记考虑功耗的问题。如果电阻选得很小，即使可以正常工作，运放的输出电流也会非常大，导致芯片发烫，甚至损坏。所以，放大电路的一些比例电阻，要按照芯片规格书的参数范围，合理地进行选择。

同样，在测试时，某IC电源脚为 V _CC ，工作电流为 I _CC ，要求提供 V _CC =5V的电压，但是，实际还需要能提供大于 I _CC 的电流。否则，该IC可能无法正常工作。也就是说，要求提供电压的测试条件中，默认也包含了提供满足测试需求的电流。同样，提供电流时，电压的档位也需要能够满足要求。

2.5.2 负载效应的影响

负载的影响实际就是下一级电路作为负载（等效输入电阻）对前一级电路的输出的影响。这里用一个分压电路进行说明。这个例子虽然不是很实用，但是有些芯片的测试会遇到类似的问题。比如输入100V的电压，采用99kΩ和1kΩ的电阻，分压得到1V，然后接一个5倍的反相放大器，那么理论上会得到-5V的电压。接下来就仿真一下这个电路，不实用的分压放大电路如图2.5.3所示。

可以看到，实际分压点的电压只有0.502V，放大后只有-2.51V。实际计算一下，运放的反相端的电压为0V，那么 R _in1 和 R ₂ 实际上是并联到地的。所以，实际的分压是100V×0.5kΩ/（99kΩ+0.5kΩ）=0.502V。

为了不影响分压，后级放大电路就需要一个高阻抗的电路，假设需要0.1%的影响，那么负载阻抗最小需要多大（不考虑电阻的误差）？

（ R ₂ -R ₂ · R _x /（ R ₂ + R _x ））/ R ₂ =1 -R _x /（ R _x + R ₂ ）=0.1%，即 R _x =999 R 2，即 R _x =999kΩ以上才可以。

假设我们还是用上面的电路，将反相放大器的电阻改为1MΩ和5MΩ，可以仿真得到接近理想的结果，有所改善的分压电路如图2.5.4所示。实际上还是不推荐这么使用。因为采用1MΩ电阻时，输出端输出-5V，那么1MΩ电阻上的电流约为0.83μA，而实际的运放输入端是有偏置电流的，电阻越大，偏置电流的影响也会加大，从而使整个电路的综合误差更大。

正常情况下，应该找一个共模抑制比（CMRR）比较高， V _OS 比较小的运放，搭建同相放大电路，或者先连接缓冲器再连接反相放大电路。

直接举例很容易看出问题所在。但是若测试的位置是DUT的引脚，并不是很清楚内部结构如何，这种情况下，不考虑负载效应而直接使用反相放大电路，就有可能得到错误的测试结果。有些DUT提供的内部框图比较完善，可以分析出内部引脚的电路结构；有些框图则只是简单的功能框图，不会表现内部结构。所以，设计测试电路时，往往需要假设DUT引脚内部存在各种可能。