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)算放大器來獲得動態(tài)范圍和最大輸出信號擺幅。這些運(yùn)算放大器接受兩個電源軌 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)算放大器會引入獨(dú)特的錯誤，了解這些錯誤有助于最大限度地減少它們并優(yōu)化性能。

我們可以通過并聯(lián) npn 和 pnp 差分對輸入級來獲得軌到軌 I/O 運(yùn)算放大器的輸入共模范圍。npn輸入級在輸入信號為正且電流流入運(yùn)放時工作，而pnp輸入級在反向條件下工作。當(dāng)輸入電壓通過其范圍的中心時，兩個輸入級都工作。隨著輸入信號從正向負(fù)擺動，輸入偏置電流流入運(yùn)放，當(dāng)偏置電流在輸入級抵消時變?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電阻器(等于增益和反饋電阻器的并聯(lián)組合)會產(chǎn)生一個運(yùn)算放大器抑制的共模電壓。通過使用 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，使用低值電阻器來降低電壓降，并放置一個電阻器(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自其輸入級，而并行輸入級會影響共模性能。與偏置電流一樣，共模抑制會隨著電源軌之間的輸入信號范圍而變化。當(dāng)從 npn 輸入級轉(zhuǎn)換到 pnp 輸入級時，通常會出現(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，我們會將此誤差視為輸出電壓中的偏移電壓。

當(dāng)輸入信號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，我們不需要軌到軌 I/O 運(yùn)算放大器。npn 輸入級可以感測連接到正電源的電壓，而 pnp 輸入級可以感測連接到負(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，因此增益誤差會隨著輕負(fù)載而增加。軌到軌 I/O 放大器是便攜式設(shè)計中必不可少且受歡迎的部件，在不引入額外錯誤的情況下，只需注意從它們獲得最大性能。