合理地使用軌到軌運(yùn)算放大器

低壓和便攜式應(yīng)用需要軌到軌 I/O 運(yùn)算放大器來(lái)獲得動(dòng)態(tài)范圍和最大輸出信號(hào)擺幅。這些運(yùn)算放大器接受兩個(gè)電源軌 200 mV 范圍內(nèi)的輸入電壓，其輸出電壓擺幅在電源軌 50 mV 范圍內(nèi)。軌到軌 I/O 運(yùn)算放大器會(huì)引入獨(dú)特的錯(cuò)誤，了解這些錯(cuò)誤有助于最大限度地減少它們并優(yōu)化性能。

我們可以通過(guò)并聯(lián) npn 和 pnp 差分對(duì)輸入級(jí)來(lái)獲得軌到軌 I/O 運(yùn)算放大器的輸入共模范圍。npn輸入級(jí)在輸入信號(hào)為正且電流流入運(yùn)放時(shí)工作，而pnp輸入級(jí)在反向條件下工作。當(dāng)輸入電壓通過(guò)其范圍的中心時(shí)，兩個(gè)輸入級(jí)都工作。隨著輸入信號(hào)從正向負(fù)擺動(dòng)，輸入偏置電流流入運(yùn)放，當(dāng)偏置電流在輸入級(jí)抵消時(shí)變?yōu)榱?，然后流出運(yùn)放。輸入偏置電流引起的電壓降隨著偏置電流極性的變化而變化，我們可以看到輸出電壓的這種變化乘以閉環(huán)增益。在正運(yùn)算放大器引線中插入一個(gè)電阻器(等于增益和反饋電阻器的并聯(lián)組合)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)運(yùn)算放大器抑制的共模電壓。通過(guò)使用 CMOS 放大器(非常小的偏置電流)最大限度地減少偏置電流的影響，使用低值電阻器來(lái)降低電壓降，并放置一個(gè)電阻器(RG ||R F ) 與正極引線串聯(lián)。

運(yùn)算放大器的共模抑制能力來(lái)自其輸入級(jí)，而并行輸入級(jí)會(huì)影響共模性能。與偏置電流一樣，共模抑制會(huì)隨著電源軌之間的輸入信號(hào)范圍而變化。當(dāng)從 npn 輸入級(jí)轉(zhuǎn)換到 pnp 輸入級(jí)時(shí)，通常會(huì)出現(xiàn) 3 mV 的輸入共模電壓變化。共模電壓可以是正的或負(fù)的，也可以在轉(zhuǎn)換點(diǎn)改變極性。我們將輸入共模電壓誤差乘以閉環(huán)增益，我們會(huì)將此誤差視為輸出電壓中的偏移電壓。

當(dāng)輸入信號(hào)擺幅較小且輸出電壓擺幅比電源電壓低 1 至 3V(取決于運(yùn)算放大器)時(shí)，我們不需要軌到軌 I/O 運(yùn)算放大器。npn 輸入級(jí)可以感測(cè)連接到正電源的電壓，而 pnp 輸入級(jí)可以感測(cè)連接到負(fù)電源的電壓。盡管傳感器連接到電源軌，但我們可以使用標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器作為傳感器放大器。

軌到軌 I/O 輸出級(jí)不使用正常的射極跟隨器配置;相反，它使用集電極連接到輸出的共發(fā)射極放大器。這種配置不需要輸出電路偏置的余量，因此輸出電壓擺幅僅降低 2V CES。但是負(fù)載阻抗變成了輸出晶體管的集電極阻抗;因此，輸出級(jí)的增益約為 g=R LOAD /R EMITTER。運(yùn)算放大器的增益現(xiàn)在取決于負(fù)載阻抗，因此環(huán)路增益取決于負(fù)載阻抗。德州儀器 (TI) 網(wǎng)站 上的 TLV2731 數(shù)據(jù)表，顯示了 43.8 dB 的環(huán)路增益變化，負(fù)載電阻變化約為 44.4 dB。相位裕度或穩(wěn)定性隨著環(huán)路增益的增加而降低;因此，軌到軌 I/O 運(yùn)算放大器可能在輕負(fù)載時(shí)變得不穩(wěn)定。此外，增益誤差與環(huán)路增益成反比，因此增益誤差會(huì)隨著輕負(fù)載而增加。軌到軌 I/O 放大器是便攜式設(shè)計(jì)中必不可少且受歡迎的部件，在不引入額外錯(cuò)誤的情況下，只需注意從它們獲得最大性能。