詳解-運算放大器中“軌到軌”的作用-KIA MOS管

設計放大電路時，隨著信號的幅度的增大，輸出信號逐漸增大。但會遇到下面兩種情況：

1）當輸出信號增大到一定程度時，雖然此時的輸出信號幅度還沒有達到電源軌，但輸出信號已經(jīng)飽和，如圖 1。

2）當供電電壓一定時，隨著負載阻抗的減小，輸出信號出現(xiàn)飽和。

圖1輸出超過電源范圍的失真信號

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。通常我們也將其稱為放大器的輸入軌。

圖2 ADA4004數(shù)據(jù)手冊

圖 2所示為ADA4004在正負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，輸入電壓超過這個范圍輸出信號將出現(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)通常會使用VOL來表示接近負電源軌的電壓差，使用VOH來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時當負載為499K時，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

在一些特殊的場合，如穿戴設備，由于采用鋰電池供電，并且需要考慮到尺寸等問題，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。

在這種低壓單電源供電的情況下，希望放大器能夠正常處理接近電源軌的輸入信號，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，當然通常只能是接近并不能達到電源軌。也存在一些特例，有的放大器允許輸入的電壓的范圍超過電源軌，這類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設計了互補差分輸入拓撲，圖 4是ADI的LTC6261放大器的簡圖，其中Q1~Q4構成了互補差分輸入對管。

在其輸入級存在兩對差分對，當放大器的輸入信號接近負的電源時，輸入的P管（Q1 & Q2）導通同時N管（Q3 & Q4）關閉，此時是由P差分對來提供差分信號給放大器內(nèi)部的中間級。

當輸入信號接近正電壓軌時，輸入差分對中的N管導通而P管關閉，此時是由N差分對來提供差分信號給放大器內(nèi)部的中間級。

圖4 LTC6261內(nèi)部簡圖

軌到軌輸入放大器使用注意事項

看起來，軌到軌輸入是一個很好的解決放大器輸入級信號范圍的方法，但是在使用這種放大器的時候需要注意到，由于輸入差分對中的P管與N管的失調(diào)電壓不同，因而會導致放大器的輸入失調(diào)電壓（Input OffsetVoltage）會在切換點發(fā)生變化。

圖5 LTC2063共模輸入電壓與輸入失調(diào)電壓的關系

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)電壓的關系，從圖中可以看出來：在5V供電的情況下，輸入信號為4.2V左右時發(fā)生切換，此時失調(diào)電壓發(fā)生變化。在1.8V供電的情況下，輸入信號為1V左右時發(fā)生切換，輸入失調(diào)電壓發(fā)生變化。

因此在設計精密放大電路時需要注意，當輸入的信號包含了切換點的電壓時，那么放大器的失調(diào)電壓會發(fā)生變化，因此需要判斷這個失調(diào)電壓是否足以影響到我們關心的信號精度。

這些情況不用軌到軌輸入放大器

在設計電路的時候，仔細的考慮是否真的需要使用輸入軌到軌的放大器。

1）當設計時候如果增益不為單位增益，那么通常就不需要輸入軌到軌，因為輸出信號是不會大于電源軌的，因此當放大電路存在大于1的增益時，其輸入信號必定小于電源軌。

2）通常對于反向放大電路也是不需要輸入軌到軌放大器的，因為對于反向放大電路而言，其共模輸入電壓是一個定值，并且這個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通過放大器的同相端配置一個偏置電壓，并且使得這個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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