一文讀懂運放壓擺率

時間:2022-02-10 17:28 來源:未知

（1）輸入電壓範圍（Input Voltage Range）

定義：保證運算放大器正常工作的最大輸入電壓範圍。也稱為共模輸入電壓範圍，規格書中經常使用Vcm這個參數來給出該範圍。

理解：運放的兩個輸入端，任何一個的輸入電壓超過此範圍，都將引起運放的失效。注意，超出此範圍並不代表運放會被燒毀，但絕對參數中出現的此值是堅決不能超過的。之所以叫共模輸入電壓範圍，是因為運放正常工作時，兩個輸入端之間的差壓是很小的，某個輸入端的電壓與兩個輸入端電壓的平均值（共模）是基本相同的。

1)Vcm是指運放兩個直接輸入端的電壓。並不一定是外部信號電壓。一定要搞清楚！看看這個例子。供電電壓是+/-5V，但是信號電壓是10V，可是到運放的輸入是1V，那麼就在這個共模電壓的範圍內了。

2)另外，之前在CMRR的時候，提到過，就是兩個輸入端的平均值。這個概念沒有問題。我要問的是下麵這個問題：按理說這是平均值，我們來進行簡單的推導，就是Vp+Vn因該在2倍Vcm的範圍內。那麼按照這樣算法，豈不是Vp和Vn的範圍都應該是2倍的Vcm？那為啥每個端口都應該遵守Vcm的範圍呢？因為這兩個端口的值是相同的，為啥，虛短麼。當然這裏沒有考慮Vos啊（即兩者並不完全相等，最多幾個mV）。這就是為什麼也叫共模電壓輸入範圍，即正常工作時，每一個輸入的電壓與兩個輸入端的電壓平均值基本相同。所以對於每個輸入端，效果是一樣的，即你看到的都是共模電壓。

3)在使用運放時，不要超過規格書給出的共模輸入電壓範圍。如果超過的話，那麼將會出現失真。仿真看一下。

（2）輸出電壓範圍（Output Voltage Range）

定義：在給定電源電壓和負載情況下，輸出能夠達到的最大電壓範圍。或者給出正向最大電壓 VOH 以及負向最小電壓 VOL——相對於給定的電源電壓和負載；或者給出與電 源軌（rail）的差距。

優劣範圍：一般運放的輸出電壓範圍要比電源電壓範圍略窄 1V 到幾 V。較好的運放 輸出電壓範圍可以與電源電壓範圍非常接近，比如幾十 mV 的差異，這被稱為“輸出至軌 電壓”。

理解：在沒有額外的儲能元件情況下，運放的輸出電壓不可能超過電源電壓範圍，隨著負載的加重，輸出最大值與電源電壓的差異會越大。這需要看數據手冊中的附圖。輸出電壓範圍，或者輸出至軌電壓有如下特點：

1） 正至軌電壓與負至軌電壓的絕對值可能不一致，但一般情況下數量級相同；

2） 至軌電壓與負載密切相關，負載越重（阻抗小）至軌電壓越大；

3）至軌電壓與信號頻率相關，頻率越高，至軌電壓越大，甚至會突然大幅度下降；

4） 至軌電壓在 20mV 以內，屬於非常優秀。

輸入共模電壓範圍是+/-13V。而輸出電壓範圍是+/-13V。

此時的輸入是+/-1.5V，滿足輸入共模電壓的範圍，而想要得到+/-15V的輸出，這個就超出了輸出電壓的範圍了，所以輸出失真，被削波了。

（3）輸入和輸出電壓擺幅（Input voltage range and output voltage swing）

首先什麼是軌，這裏軌有輸入信號的正負軌，以及輸出信號正負軌，另外在者就是電源的正負軌。

而軌到軌就是，輸入信號或者輸出信號的軌到電源軌。例如輸入到軌電壓就是輸入信號最大值到電源軌之間的電壓。

1)輸入軌到軌

一般運放的輸入電壓範圍都要比電源電壓小1V以上，即輸入到軌電壓要>1V，例如+/-5V供電的話，那麼輸入電壓範圍在-4V~+3V。

而有的運放輸入信號電壓可以與電源電壓相同，甚至超過輸入電壓一點，例如0.1V。例如+/-5V供電，輸入電壓範圍可以在-5.1V~+5V。

所以當輸入信號電壓與電源電壓相近，相等甚至超過的時候，就可以稱該運放為輸入軌到軌運放RRI。

2)輸出軌到軌

一般運放的輸出信號電壓範圍都要比電源電壓小1V以上，即輸出到軌電壓要>1V

而有的運放輸出信號電壓可以與電源電壓範圍範圍非常接近，比如幾十mV的差異，這個時候，運放將會被稱為輸出軌到軌運放RRO。

但是特別需要注意的是，

這個輸出到軌電壓受負載影響非常大，當負載越大的時候，到軌電壓將越大，即輸出電壓越會遠離（小於）電源電壓。

一定要注意輸出到下軌電壓。一般不會是0V。這句話是什麼意思呢？即當你是單電源供電時，一般時得不到真正的0V電壓，總會有一點偏移量。而當這個值很敏感時，那麼就需要考慮正負電源了供電了。

這裏使用OPA364搭建的一個緩衝器。供電電壓為+/2.5V。輸入為+/2.5V@1kHz的信號。我們看看輸出如何。

從規格書可以看出，輸入共模電壓範圍可以達到+/-2.6V，所以輸出+/-2.5V的信號是沒有問題的。

輸出至軌電壓是20mV，那麼輸出電壓範圍就是+/-2.48V。所以應該可以得到這樣的電壓輸出範圍，基本不會發生畸變。

（4）產生到軌電壓的原因

一般的BJT和JFET是非軌至軌輸入的運放。如下表所示為OPA827共模輸入電壓範圍為(V-)+3V至(V+)-3V，典型的非軌至軌運放。

單電源運放的輸入級通常有三種結構，第一種是采用PMOS做差分輸入級。這樣的運入輸入級電壓可以低於負電源軌0.2甚至0.3V，但達不到正電源軌，如OPA336。下表是datasheet中標出的OPA336輸入電壓範圍。

既然PMOS差分輸入級輸入電壓不能達到正電源軌，那NMOS呢，對頭，NMOS差分輸入級的輸入電壓可以達到正電源軌，但是達不到負電源軌，一般會在負電源軌的1.2V之上。

此時有人想到了，把PMOS和NMOS差分輸入級並聯起來。在接近電源負電壓軌時使PMOS差分輸入級工作，在接近電源正電源軌時使NMOS差分輸入級工作。這樣不就可以實現運放的軌至軌輸入了嘛。太巧妙了。的確

早先的軌至軌輸入運放就是這樣設計的。並且現在也在大量使用這種技術。如下圖是OPA703的輸入級，就是典型的PMOS與NMOS相並聯的運放輸入級。

（5）軌到軌如何實現

N-MOS負責正電源軌，Vcm的範圍在V+-2V~V++0.3V;

P-MOS負責負電源軌,Vcm的範圍在V- -0.3V~V+-2V (1.5V)；

而這個2V的轉折點就是通過Q1這個2V的恒壓源VS1來實現的。解釋如下：

假設MOS管的Vgs都為1V，飽和電壓Vsat為0.1V。

所以當Vcm到負電源軌電壓最小為Vcm_min=(-Vgs_Q5)+Vsat_Q5+VR1+(V-)=-1V+0.1V+0.6V=(V-)-0.3V，這裏假設電阻電壓為0.6V。

當Vcm慢慢網上升的時候，隻要其沒有達到(V+)-2V,那麼就隻有P管導通。因為Q1的S端電壓就達不到(V+)-1V，即Q1就無法導通，電流源IS1的電流全部給到P管。

而當Vcm大於(V+)-2V時，Q1將會導通，這個時候N管將會導通。

其實P管和N管有一段同時導通的時間，這個電壓，即過渡電壓範圍主要由IS1的飽和電壓決定。

這種拓撲，需要注意，即因為輸入差分運放是兩組，所以每一組的輸入失調電壓都不相同，所以需要注意。特別在過渡區的時候，特性不定。這個可以理解，兩組不同結構的輸入級的輸入失調電壓是不同的，在交接棒時，這個失調電壓也完成了交接棒。對於直流信號這個問題會引起誤差突變，

對於正弦交流信號，這個問題會引起信號的失真。在交越點引入一個小小的台階。

到這並沒有結束，另一種技術在TI的單電源軌至軌運放中得到應用。這就是自調零技術。下圖使用了自調零技術（MOSFET Zero Drif t）前後。輸入失調電壓跳變就非常小了。

再看看輸出到軌的電壓。

而右邊的則是軌到軌的輸出，同樣受到飽和電壓的限製，隻是這個晶體管的飽和壓降要大於MOS管的飽和壓降。當然，MOS管更容易受到輸出負載的影響。即因為負載的原因，MOS管輸出電壓下降斜率很快。

從上圖可以看出，不管怎麼樣，輸出軌到軌隻是近似，不可能完全等於或者超過電源供電電壓。多多少少都有個mV的壓差。

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