詳解-運(yùn)算放大器中“軌到軌”的作用-KIA MOS管

設(shè)計(jì)放大電路時(shí)，隨著信號(hào)的幅度的增大，輸出信號(hào)逐漸增大。但會(huì)遇到下面兩種情況：

1）當(dāng)輸出信號(hào)增大到一定程度時(shí)，雖然此時(shí)的輸出信號(hào)幅度還沒(méi)有達(dá)到電源軌，但輸出信號(hào)已經(jīng)飽和，如圖 1。

2）當(dāng)供電電壓一定時(shí)，隨著負(fù)載阻抗的減小，輸出信號(hào)出現(xiàn)飽和。

圖1輸出超過(guò)電源范圍的失真信號(hào)

上述兩種情況是由于放大器的輸入范圍與輸出范圍這兩個(gè)參數(shù)影響了放大電路。

輸入電壓范圍（Input VoltageRange）

使得放大器能夠正常工作的最大的輸入電壓范圍。通常我們也將其稱(chēng)為放大器的輸入軌。

圖2 ADA4004數(shù)據(jù)手冊(cè)

圖 2所示為ADA4004在正負(fù)5V供電的情況下，其輸入的電壓軌為-3.5V到+3.5V。那么在這種供電情況下，輸入電壓超過(guò)這個(gè)范圍輸出信號(hào)將出現(xiàn)失真。

輸出電壓范圍（Output VoltageRange）

在給定供電電壓與特定負(fù)載的情況下，輸出電壓的最大范圍。

圖3 LTC2063 輸出電壓范圍

在芯片的datasheet中描述輸出電壓范圍的參數(shù)通常會(huì)使用VOL來(lái)表示接近負(fù)電源軌的電壓差，使用VOH來(lái)表示接近正電源軌的電壓差。

圖3描述的是LTC2063在供電電壓為5V時(shí)當(dāng)負(fù)載為499K時(shí)，典型的VOL為0.1V，VOH為0.15V。那么也就是這種情況下輸出的電壓范圍的典型值為0.1V-4.85V。

充分利用電源軌

在一些特殊的場(chǎng)合，如穿戴設(shè)備，由于采用鋰電池供電，并且需要考慮到尺寸等問(wèn)題，因此通常其供電電壓并不高。如采用鋰電池3.7V供電，在這種情況下，為了盡可能的使信號(hào)的幅度大就需要充分利用系統(tǒng)所提供的電源軌。

在這種低壓?jiǎn)坞娫垂╇姷那闆r下，希望放大器能夠正常處理接近電源軌的輸入信號(hào)，因此就需要輸入軌到軌（Rail to RailInput）放大器。

這種放大器的輸入范圍允許接近電源軌，當(dāng)然通常只能是接近并不能達(dá)到電源軌。也存在一些特例，有的放大器允許輸入的電壓的范圍超過(guò)電源軌，這類(lèi)放大器通常是由于內(nèi)部做了電荷泵升壓。

軌到軌輸入放大器的輸入特性

由于在放大器的輸入級(jí)設(shè)計(jì)了互補(bǔ)差分輸入拓?fù)洌瑘D 4是ADI的LTC6261放大器的簡(jiǎn)圖，其中Q1~Q4構(gòu)成了互補(bǔ)差分輸入對(duì)管。

在其輸入級(jí)存在兩對(duì)差分對(duì)，當(dāng)放大器的輸入信號(hào)接近負(fù)的電源時(shí)，輸入的P管（Q1 & Q2）導(dǎo)通同時(shí)N管（Q3 & Q4）關(guān)閉，此時(shí)是由P差分對(duì)來(lái)提供差分信號(hào)給放大器內(nèi)部的中間級(jí)。

當(dāng)輸入信號(hào)接近正電壓軌時(shí)，輸入差分對(duì)中的N管導(dǎo)通而P管關(guān)閉，此時(shí)是由N差分對(duì)來(lái)提供差分信號(hào)給放大器內(nèi)部的中間級(jí)。

圖4 LTC6261內(nèi)部簡(jiǎn)圖

軌到軌輸入放大器使用注意事項(xiàng)

看起來(lái)，軌到軌輸入是一個(gè)很好的解決放大器輸入級(jí)信號(hào)范圍的方法，但是在使用這種放大器的時(shí)候需要注意到，由于輸入差分對(duì)中的P管與N管的失調(diào)電壓不同，因而會(huì)導(dǎo)致放大器的輸入失調(diào)電壓（Input OffsetVoltage）會(huì)在切換點(diǎn)發(fā)生變化。

圖5 LTC2063共模輸入電壓與輸入失調(diào)電壓的關(guān)系

圖5是ADI的LTC2063在不同供電電壓的情況下共模輸入電壓與輸入失調(diào)電壓的關(guān)系，從圖中可以看出來(lái)：在5V供電的情況下，輸入信號(hào)為4.2V左右時(shí)發(fā)生切換，此時(shí)失調(diào)電壓發(fā)生變化。在1.8V供電的情況下，輸入信號(hào)為1V左右時(shí)發(fā)生切換，輸入失調(diào)電壓發(fā)生變化。

因此在設(shè)計(jì)精密放大電路時(shí)需要注意，當(dāng)輸入的信號(hào)包含了切換點(diǎn)的電壓時(shí)，那么放大器的失調(diào)電壓會(huì)發(fā)生變化，因此需要判斷這個(gè)失調(diào)電壓是否足以影響到我們關(guān)心的信號(hào)精度。

這些情況不用軌到軌輸入放大器

在設(shè)計(jì)電路的時(shí)候，仔細(xì)的考慮是否真的需要使用輸入軌到軌的放大器。

1）當(dāng)設(shè)計(jì)時(shí)候如果增益不為單位增益，那么通常就不需要輸入軌到軌，因?yàn)檩敵鲂盘?hào)是不會(huì)大于電源軌的，因此當(dāng)放大電路存在大于1的增益時(shí)，其輸入信號(hào)必定小于電源軌。

2）通常對(duì)于反向放大電路也是不需要輸入軌到軌放大器的，因?yàn)閷?duì)于反向放大電路而言，其共模輸入電壓是一個(gè)定值，并且這個(gè)電壓值等于放大器的同相端的電壓。

3）在單電源電路中我們通常會(huì)通過(guò)放大器的同相端配置一個(gè)偏置電壓，并且使得這個(gè)偏置電壓符合放大器的輸入共模范圍，因此不需要使用輸入軌到軌放大器。

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