運放參數分析-軌至軌(rail to rail)輸出-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2023-07-04
軌至軌輸出(rail to rail output)
現在在低電壓運放的中，很多都是軌至軌輸出。運放的軌至軌輸出是由 MOS 作輸出級設計實現的。
早期的運算放大器輸出級是帶有 NPN 電流源或下拉電阻的NPN 射極跟隨器。這種使用 BJT 的互補共射極輸出級無法完全擺動到電源軌，只能擺動到電源軌的晶體管飽和電壓 CESAT 范圍內。
對于較小的負載電流(小于 100 μA )，飽和電壓可能低至 5 至 10mV；但是，對于較高負載電流，飽和電壓可能增加至數百毫伏。
軌至軌輸出的本意是指，運放的輸出電壓可以達到電源軌。但實際是它是十分接近電源軌。只說這么一個定義是沒有多大意義的。下面要說一下這里關于軌至軌輸出的一些需要注意的問題。
先看下圖datasheet 上的數據。看到在不同負載下的輸出離電源軌的電壓值是不同的。
這是由于采用 CMOS FET 構建的輸出級（如下圖）可以提供近乎真正軌到軌的性能，但只是在空載條件下。如果運算放大器輸出必須流出或吸入相當大的電流，則輸出電壓擺幅會降低，降幅為 FET內部導通電阻上的 I×R 壓降。
一般而言，精密放大器的導通電阻在 100 Ω 左右，但高電流驅動CMOS 放大器的導通電阻可能小于 10 Ω。這就是引起輸入不能完全達到電源軌的根本原因。
另一方面，運放的輸出信號到軌的電壓值，隨溫度而變化。這同樣可以在datasheet 中的表格中看到，并且在全溫范圍內，一般會出現在高溫的情況，輸出信號到軌的電壓值會變大。
這是由于 MOS 導通電阻，具有正溫度系數，溫度越高，導通電阻越大。這也就是造成了全溫范圍內壓差VSAT = VS – VOUT會變大。
下面引出一張圖表，這張圖表在運放的 datasheet 中非常常見，但也經常被忽略，它反應了一個重要結論：隨著溫度的上升，和輸出電流的上升，運放輸出信號與電源軌的壓差VSAT = VS – VOUT也隨之增大。
原因正如上面所解釋的。當然還有一個問題，當輸出電壓越接近電源軌時，信號的失真會變的差一點。因此沒有真正能達到電源軌輸出的運放。根據上面的原因，離電源軌遠一點，更容易達到高的信號質量。
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