运放中轨至轨运行真正含义是什么?

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有关单电源运放的一个热门讨论话题是:它们是否能够做轨至轨的输入或输出运行。单电源运放的供应商都声称自己的放大器有轨至轨输入能力,但芯片设计者必须做出某些折衷,才能实现这类性能。

图1 这个运放的组合输入级采用PMOS和NMOS差分对,因此输入电压范围可以从正电压轨直到负电压轨。

一款常见单电源放大器的输入结构是有并联的PMOS和NMOS差分输入级,它结合了这些级的优点,实现了真正的轨至轨输入运行(图1)。当VIN+接近于负电压轨时,PMOS晶体管完全导通,而NMOS晶体管完全截止。当输入接近于正电压轨时,使用NMOS晶体管,而PMOS晶体管则截止。

虽然图1中小功率精密运放OPA344的输入级可以轨至轨输入工作,但电路设计者必须解决性能的折衷问题。按图1中的设计结构,在放大器共模输入区间内,偏移电压会有很宽的变化范围。在接近地的区域,输入级PMOS偏移误差成份占主要地位。在接近正电源轨的区域,则主要是NMOS偏移误差。

图2 由于放大器的共模电压会从地改变到正电源,因此CMOS放大器的输入级在低于3V正电源轨约2V时,从其PMOS输入对完全改变到其NMOS输入对。

查看输入级性能的*佳方式是看偏移电压与共模输入电压之间的关系(图2)。图2中的4.6 MHz轨至轨输入/输出CMOS放大器LMP7701在大约1.4V时表现出了偏移电压误差的交叉特性。在较低的共模输入电压时,PMOS晶体管运行,而NMOS晶体管关断。在大约1.1V时,NMOS晶体管开始导通。随着共模输入电压的升高,电路的NMOS部分*终接手工作,而PMOS晶体管完全关断。从1.1V至2V区间,PMOS和NMOS晶体管都在工作。

要尽量减少这种输入级的交叉效应,有一些电路设计技巧;具体可见“轨至轨输入放大器应用解决方案”。

单电源放大器制造商还称自己拥有输出端有轨至轨摆幅的器件。实际上对于这些类型放大器,输出端不可能完全摆到轨上,只是能够接近而已。

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