應(yīng)該在什么時(shí)候使用具有軌到軌輸入的放大器和使用中的注意事項(xiàng)

1.前言

在我之前手頭的一個(gè)項(xiàng)目，該項(xiàng)目需要一個(gè)單位增益運(yùn)算放大器 (op-amp) 緩沖器，用于我們的薄膜沉積系統(tǒng)中的監(jiān)控電路。插入新模塊后，我發(fā)現(xiàn)靠近正電源的所有信號都被削波了。

我的同事說：“哦，你應(yīng)該改用軌到軌運(yùn)算放大器?！?nbsp;這就是我第一次了解到我需要一種特殊類型的運(yùn)算放大器來防止我的輸入超出范圍。

近年來，越來越多的運(yùn)算放大器（尤其是低速精密類別的運(yùn)算放大器）具有包括兩個(gè)電源軌的輸入共模范圍 (ICMR)。這對于剛起步的設(shè)計(jì)師來說無疑是個(gè)好消息，就像我在讀研究生時(shí)一樣。在許多情況下，軌到軌輸入/輸出 (RRIO) 放大器的靈活性使其能夠在同一系統(tǒng)中的多個(gè)位置使用，從而簡化材料清單 (BOM)。但即使在最小化 BOM 并不那么重要的應(yīng)用中，軌到軌輸入放大器的靈活性仍然具有許多優(yōu)勢。

2.低壓單電源系統(tǒng)中的單位增益緩沖器

可以實(shí)現(xiàn)這些優(yōu)勢的一種應(yīng)用是低壓單電源系統(tǒng)中的單位增益緩沖器。便攜式和電池供電的電子系統(tǒng)在許多市場中無處不在，例如個(gè)人電子產(chǎn)品、能量收集以及測試和測量。這些系統(tǒng)中的大多數(shù)運(yùn)行在 3.3V 甚至更低的電壓上，這對信號鏈的 ICMR 造成了壓力。

為了說明這個(gè)輸入范圍問題，我們以 OPAx836 系列 ( OPA836 / OPA2836 ) 為例。OPAx836 是一種流行的運(yùn)算放大器系列，沒有軌到軌輸入，但非常適合便攜式應(yīng)用。OPA836 和 OPA2836 運(yùn)算放大器以 205MHz 的帶寬和 4.6nV/√Hz 的輸入電壓噪聲實(shí)現(xiàn)出色的電源效率，每個(gè)通道的靜態(tài)電流僅為 1mA。它們也提供小包裝。這些優(yōu)勢使這些運(yùn)算放大器能夠用于便攜式應(yīng)用中，在這些應(yīng)用中，功率和占位面積很重要，但性能也不能犧牲。OPAx836 還具有軌到軌輸出 (RRO)，允許在低電源電壓運(yùn)行時(shí)最大化輸出電壓范圍。然而，在輸入端，ICMR 僅為 V S-OPAx836 為 -0.2V 至 V S+ -1.1V。如果放大器電路具有增益（例如 >1.5V/V，在這種情況下輸入不需要填充電源范圍），則 1.1V 的高邊裕量不是問題。但是，對于需要最大化動(dòng)態(tài)范圍的便攜式系統(tǒng)而言，在單位增益緩沖器中從 3.3V 或更低的總電源范圍中取出 1.1V 可能會(huì)變得非常有限制。

3.便攜式設(shè)備中的高端電池監(jiān)控

軌到軌輸入放大器的另一個(gè)應(yīng)用是便攜式設(shè)備中的高端電池監(jiān)控。TI 的 THS4281 是一款高速運(yùn)算放大器，可用于這些用例。它具有軌到軌輸入和 90MHz 帶寬，靜態(tài)電流僅為 0.75mA，使設(shè)計(jì)人員能夠構(gòu)建快速靈活的低功耗系統(tǒng)。圖 1 顯示了使用 THS4281 的典型高端電流檢測電路。軌到軌輸入在這里非常方便，因?yàn)閳D 1 中的輸入共模通常在正軌的 1V 以內(nèi)，這不包括大多數(shù)沒有軌到軌輸入的放大器，包括 OPA836。 

圖 1：使用 THS4281 的電池系統(tǒng)的典型高端電流檢測電路

雖然軌到軌輸入放大器用途廣泛且用戶友好，但有一個(gè)問題需要特別注意。大多數(shù)軌到軌輸入放大器使用類似于圖 2 所示的輸入級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該電路結(jié)合了一個(gè)主 PNP/PMOS 級，該級從負(fù)軌以下工作到距正軌大約 1.5V 和一個(gè)“輔助”NPN/NMOS 級，它處理 ICMR 到正軌的最后一個(gè) ~1.5V。因此，通常存在一個(gè)“切換”或“交叉”區(qū)域，主級和輔助級之間的過渡發(fā)生在該區(qū)域。

要確定該區(qū)域，請查看失調(diào)電壓 (V OS ) 與輸入共模電壓 (V ICR ) 的關(guān)系圖，如圖 3 所示的 THS4281 曲線。在這種情況下，V OS在 V INCM從 V S+ -1.4V “跳”到 V S+ -1V 標(biāo)志著切換發(fā)生的區(qū)域。有時(shí)在單位增益測量需要精確到 1mV 以內(nèi)的精密應(yīng)用中，這種 V OS跳躍是不可取的。

圖 2：使用雙極結(jié)型晶體管 (BJT)（左）或 MOSFET（右）的軌到軌輸入放大器的一種常見輸入級拓?fù)?/b>