Rail to Rail 軌對(duì)軌運(yùn)算放大器

1、RailtoRail軌對(duì)軌運(yùn)放傳統(tǒng)的模擬集成器件，如運(yùn)放、A/D、D/A等，其模擬引腳的電壓范圍一般都達(dá)不到電源，以運(yùn)放為例，電源為+/-15V的運(yùn)放，為確保性能（首先是不損壞，其次是不反相，最后是足夠的共模抑制比），輸入范圍一般不要超過(guò)+/-10V,常溫下也不要超過(guò)+/-12V；輸出范圍，負(fù)載10kohm時(shí)一般只有+/-11V，小負(fù)載電阻（600ohm）時(shí)只能保證+/-10V。這對(duì)器件的應(yīng)用帶來(lái)很多不便。rail-to-rail的器件，一般都是低壓器件（+/-5V或single+5V），輸入輸出電壓都能達(dá)到電源（輸入甚至可以超過(guò)）。其原理上的秘訣便在于電流模+NPN/PNP互補(bǔ)輸入結(jié)構(gòu)。ra

2、il-to-rail器件的某些設(shè)計(jì)思想，對(duì)我們自己設(shè)計(jì)電路也可以提供一些有益的思路?，F(xiàn)在rail-to-rail的單電源模擬器件已形成系列（如MAXIM,AD,TI等），在許多對(duì)性能（精度）要求不高的場(chǎng)合，我們可以考慮全部采用單+5V甚至+2.7V的模擬器件來(lái)構(gòu)成我們的系統(tǒng)，這樣模擬電路和數(shù)字電路便可以公用一個(gè)電源（不過(guò)要注意電源去耦）。而且這類器件大量采用SOT封裝，有利于設(shè)計(jì)出體積功耗都很小的產(chǎn)品。rail-to-rail,即“軌至軌，有時(shí)也稱為滿擺幅，是指輸出（或輸入）電壓范圍與電源電壓相等或近似相等。從輸入方面來(lái)講，其共模輸入電壓范圍可以從負(fù)電源電壓到正電源電壓；從輸出方面來(lái)講，其輸出

3、電壓范圍可以從負(fù)電源電源到正電源電壓。也可以說(shuō)，這是一個(gè)與供電電壓密切相關(guān)的特性，對(duì)器件的輸入或輸出無(wú)失真動(dòng)態(tài)范圍有很大的影響，當(dāng)V很小時(shí)（10mV-100mV）,無(wú)失真動(dòng)態(tài)范圍最小電壓為VSS+AV,最大值為VCC-V,具有這樣動(dòng)態(tài)范圍的運(yùn)放就叫RailtoRail運(yùn)放。理想狀態(tài)下，器件的正常工作輸入與輸出電壓范圍可同時(shí)達(dá)到運(yùn)放正負(fù)電源端的電壓范圍。實(shí)際上，器件很難達(dá)到真正的軌至軌。比較常見(jiàn)的軌至軌表現(xiàn)方式有，輸入rail-to-rail；輸入達(dá)到或超過(guò)Vee；輸出比較接近rail-to-rail；在同一器件上的輸入/輸出實(shí)現(xiàn)（或接近）rail-to-rail。這里需要特別強(qiáng)調(diào)，輸入和輸出不

4、一定都能夠承受rail-to-rail的電壓。盡管器件被指明是軌至軌，不代表器件的輸入和輸出都支持軌至軌。存在運(yùn)放的輸出或者輸入不都支持軌至軌的可能，這樣的話，接近輸入或者接近輸出電壓極限的電壓可能會(huì)使運(yùn)放的功能退化，所以需要仔細(xì)的參考Dasheet是否輸入和輸出是否都是軌至軌?？梢钥吹?，一些器件制造商在產(chǎn)品簡(jiǎn)介或Datasheets的中過(guò)分強(qiáng)調(diào)宣傳這一特性，但不容回避的現(xiàn)實(shí)是，當(dāng)器件工作在這些邊界附近時(shí)，性能均會(huì)有不同程度的下降，包括，CMRR-共模抑制比；Ro-輸出內(nèi)阻；Avd-差模開(kāi)環(huán)增益等。傳統(tǒng)的模擬集成器件，如運(yùn)放、A/D、D/A等，其模擬引腳的電壓擺幅一般都達(dá)不到電源的幅值。例如，

5、以供電電源為+/-15V的運(yùn)算放大器為例，為安全工作并確保性能（首先是不損壞，其次是不反相，最后是足夠高的CMRR），要求運(yùn)放的輸入范圍一般不要超過(guò)+/-10V,在常溫下也不要超過(guò)+/-12V；而對(duì)于輸出范圍，負(fù)載RL10kohm時(shí)一般只有+/-11V，小負(fù)載電阻RLv600ohm時(shí)只能保證+/-10V。這對(duì)器件的應(yīng)用帶來(lái)很多不便。具備rail-to-rail特性的器件，一般都是低壓器件（雙電源+/-5V或單電源+5V供電），輸入/輸出電壓都能達(dá)到電源值（有的輸入甚至可以超過(guò)）。其原理上的秘訣便在于電流模+NPN/PNP互補(bǔ)輸入結(jié)構(gòu)。rail-to-rail器件的某些設(shè)計(jì)思想，對(duì)我們自己設(shè)計(jì)電

6、路也可以提供一些有益的思路。即使軌至軌器件的輸入或輸出電壓幅度即使達(dá)到電源電壓的上下限，此時(shí)放大器也不會(huì)像常規(guī)運(yùn)放那樣發(fā)生飽和失真或翻轉(zhuǎn)。例如，在單電源+5V供電的條件下，即使輸入、輸出信號(hào)的幅值低到接近0V,或高至接近5V,信號(hào)也不會(huì)發(fā)生截止或飽和失真，從而大大增加了運(yùn)算放大器的動(dòng)態(tài)范圍。這在低電源供電的電路中尤其具有實(shí)際意義。再比如，綜合比較TLC2274（軌到軌）與OP07（非軌到軌）的輸入輸出范圍，可以看到,TLC2274的動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)4.8V,而OP07（及其它非軌到軌特性的運(yùn)放）的動(dòng)態(tài)范圍僅3V左右。軌至軌輸入/輸出特性，擴(kuò)大了動(dòng)態(tài)范圍，避免了補(bǔ)償輸入級(jí)常見(jiàn)的交越問(wèn)題，這種設(shè)計(jì)降低

7、了失真，在整個(gè)輸入電壓范圍內(nèi)，甚至比比電源電壓高100mV左右，實(shí)現(xiàn)了較高的共模抑制比（CMRR），因此最大限度地提高了整體性能，非常適合驅(qū)動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器，而不會(huì)造成差分線性衰減。大部分運(yùn)算放大器要求雙電源（正負(fù)電源）供電，只有少部分運(yùn)算放大器可以在單電源供電狀態(tài)下工作，如LM358（雙運(yùn)放）、LM324（四運(yùn)放）、CA3140（單運(yùn)放）等。需要說(shuō)明的是，單電源供電的運(yùn)算放大器不僅可以在單電源條件下工作，也可在雙電源供電狀態(tài)下工作。例如，LM324可以在、+5+12V單電源供電狀態(tài)下工作，也可以在+5土12V雙電源供電狀態(tài)下工作。在一些交流信號(hào)放大電路中，也可以采用電源偏置電路，將靜態(tài)直流輸出

8、電壓降為電源電壓的一半，采用單電源工作，但輸入和輸出信號(hào)都需要加交流耦合電容，利用單電源供電的反相放大器如圖1（a）所示，其運(yùn)放輸出波形如圖1（b）所示。容Cl和C2的值由所需的低頻響應(yīng)和電路的輸入阻抗（對(duì)于C1）或負(fù)載（對(duì)于C2）來(lái)確定。Cl及C2可由下式來(lái)確定：C1=1000/2nfoRI（|jF）；C2=1000/2nfoRL（|jF）,式中，fo是所要求最低輸入頻率。若R1、RL單位用kQ,fO用Hz,則求得的C1、C2單位為嚇。一般來(lái)說(shuō)，R2=R3u2RF。圖2是一種單電源加法運(yùn)算放大器。該電路輸出電壓Vo=RF（V1/Rl十V2/R2十V3/R3）,若R1=R2=R3=RF,則Vo

9、=（V1十V2十V3）。需要說(shuō)明的是，采用單電源供電是要付出一定代價(jià)的。它是個(gè)甲類放大器，在無(wú)信號(hào)輸入時(shí)，損耗較大。5思考題（1）圖3是一種增益為10、輸入阻抗為10kQ、低頻響應(yīng)近似為30Hz、驅(qū)動(dòng)負(fù)載為1kQ的單電源反相放大器電路。該電路的不失真輸入電壓的峰一峰值是多少呢？（提示：一般運(yùn)算放大器的典型輸入、輸出特性如圖4所示）；（2）圖5是單電源差分放大器。若輸入電壓為50Hz交流電壓，V1=1V,V2=O.4V，它的輸出電壓該是多少呢？12V&A點(diǎn)口上肝她矢真目蠱礎(chǔ)后開(kāi)費(fèi)幽利 HYPERLINK http:/blog.csd http:/blog.csd/warmshepherd/art

10、icle/details/3547649有一類特殊的放大器具有非常低的端邊占用電壓（headroom）要求，稱之謂輸出擺幅與供電電壓相同（軌至軌railtorail）放大器。由于它們獨(dú)特的功能可工作在它們的輸人and/or輸出范圍的極限值。在或接近地and/or接近正端（在幾個(gè)毫伏之內(nèi)）。這樣就顯著地增大了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。達(dá)到幾乎整個(gè)電源電壓范圍。傳統(tǒng)的運(yùn)算放大器輸入設(shè)計(jì)或者采用NPN雙結(jié)型晶體管（BJT）-該型器件具有高帶寬，較低的噪聲和低漂移優(yōu)點(diǎn)，但消耗的電流較大-或者采用場(chǎng)效應(yīng)結(jié)型晶體管（JFET）.該型器件具有非常高的輸入阻抗，非常低的漏（偏置）電流和低失真優(yōu)點(diǎn)。不幸的是,兩種設(shè)計(jì)都要

11、求在雙電源即+和-電源下工作并且要求在每一端有23V的端邊占用電壓（heallroom）以便有效地工作在它們的線性范圍之內(nèi)。軌至軌放大器采用一種特殊的輸入結(jié)構(gòu)，采用背靠背NPN和PNP輸入晶體管和雙折式共射共基放大電路使輸入可達(dá)到每一個(gè)電源端點(diǎn)的幾個(gè)毫伏之內(nèi)。傳統(tǒng)運(yùn)放的輸出級(jí)使用一個(gè)按AB類工作安排的NPN-PNP射極跟隨器對(duì).輸出擺幅受到每個(gè)晶體管的Vbe,外加串聯(lián)電阻上IR壓降的限制。軌至軌放大器的輸出從NPN-PNP對(duì)結(jié)構(gòu)的集電極引出，輸出擺幅僅受到晶體管Vcesat（該值可以僅為幾個(gè)毫伏，這取決于集電極-發(fā)射極間的電流）、Ron和負(fù)載電流的限制。一個(gè)軌至軌放大器特性好到什么程度的標(biāo)志是

12、它在零電壓或接近電源電壓時(shí)保持線性的能力。簡(jiǎn)單說(shuō)就是在整改量程范圍內(nèi)，運(yùn)放都需要保持線性。運(yùn)算放大器的rail-to-rail特性rail-to-rail,即“軌至軌，有時(shí)也稱為滿擺幅，是指輸出（或輸入）電壓范圍與電源電壓相等或近似相等。從輸入方面來(lái)講，其共模輸入電壓范圍可以從負(fù)電源電壓到正電源電壓；從輸出方面來(lái)講，其輸出電壓范圍可以從負(fù)電源電源到正電源電壓。也可以說(shuō)，這是一個(gè)與供電電壓密切相關(guān)的特性，對(duì)器件的輸入或輸出無(wú)失真動(dòng)態(tài)范圍有很大的影響，當(dāng)V很小時(shí)（10mV-100mV）,無(wú)失真動(dòng)態(tài)范圍最小電壓為VSS+AV,最大值為VCC-V,具有這樣動(dòng)態(tài)范圍的運(yùn)放就叫RailtoRail運(yùn)放。理

13、想狀態(tài)下，器件的正常工作輸入與輸出電壓范圍可同時(shí)達(dá)到運(yùn)放正負(fù)電源端的電壓范圍。實(shí)際上，器件很難達(dá)到真正的軌至軌。比較常見(jiàn)的軌至軌表現(xiàn)方式有，輸入rail-to-rail；輸入達(dá)到或超過(guò)Vee；輸出比較接近rail-to-rail；在同一器件上的輸入/輸出實(shí)現(xiàn)（或接近）rail-to-rail。這里需要特別強(qiáng)調(diào)，輸入和輸出不一定都能夠承受rail-to-rail的電壓。盡管器件被指明是軌至軌，不代表器件的輸入和輸出都支持軌至軌。存在運(yùn)放的輸出或者輸入不都支持軌至軌的可能，這樣的話，接近輸入或者接近輸出電壓極限的電壓可能會(huì)使運(yùn)放的功能退化，所以需要仔細(xì)的參考Dasheet是否輸入和輸出是否都是軌至

14、軌?？梢钥吹?，一些器件制造商在產(chǎn)品簡(jiǎn)介或Datasheets的中過(guò)分強(qiáng)調(diào)宣傳這一特性，但不容回避的現(xiàn)實(shí)是，當(dāng)器件工作在這些邊界附近時(shí)，性能均會(huì)有不同程度的下降，包括，CMRR-共模抑制比；Ro-輸出內(nèi)阻；Avd-差模開(kāi)環(huán)增益等。傳統(tǒng)的模擬集成器件，如運(yùn)放、A/D、D/A等，其模擬引腳的電壓擺幅一般都達(dá)不到電源的幅值。例如，以供電電源為+/-15V的運(yùn)算放大器為例，為安全工作并確保性能（首先是不損壞，其次是不反相，最后是足夠高的CMRR），要求運(yùn)放的輸入范圍一般不要超過(guò)+/-10V，在常溫下也不要超過(guò)+/-12V；而對(duì)于輸出范圍，負(fù)載RL10kohm時(shí)一般只有+/-11V，小負(fù)載電阻RLv600

15、ohm時(shí)只能保證+/-10V。這對(duì)器件的應(yīng)用帶來(lái)很多不便。具備rail-to-rail特性的器件，一般都是低壓器件（雙電源+/-5V或單電源+5V供電），輸入/輸出電壓都能達(dá)到電源值（有的輸入甚至可以超過(guò)）。其原理上的秘訣便在于電流模+NPN/PNP互補(bǔ)輸入結(jié)構(gòu)。rail-to-rail器件的某些設(shè)計(jì)思想，對(duì)我們自己設(shè)計(jì)電路也可以提供一些有益的思路。即使軌至軌器件的輸入或輸出電壓幅度即使達(dá)到電源電壓的上下限，此時(shí)放大器也不會(huì)像常規(guī)運(yùn)放那樣發(fā)生飽和失真或翻轉(zhuǎn)。例如，在單電源+5V供電的條件下，即使輸入、輸出信號(hào)的幅值低到接近0V,或高至接近5V，信號(hào)也不會(huì)發(fā)生截止或飽和失真，從而大大增加了運(yùn)算放

16、大器的動(dòng)態(tài)范圍。這在低電源供電的電路中尤其具有實(shí)際意義。再比如，綜合比較TLC2274（軌到軌）與OP07（非軌到軌）的輸入輸出范圍，可以看到,TLC2274的動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)4.8V,而OP07（及其它非軌到軌特性的運(yùn)放）的動(dòng)態(tài)范圍僅3V左右。軌至軌輸入/輸出特性，擴(kuò)大了動(dòng)態(tài)范圍，避免了補(bǔ)償輸入級(jí)常見(jiàn)的交越問(wèn)題，這種設(shè)計(jì)降低了失真，在整個(gè)輸入電壓范圍內(nèi)，甚至比比電源電壓高100mV左右，實(shí)現(xiàn)了較高的共模抑制比（CMRR），因此最大限度地提高了整體性能，非常適合驅(qū)動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器，而不會(huì)造成差分線性衰減。UnityGainAmplifierFigureshowsabuffercircuit.Ther

17、ail-to-railcharacteristicoftheTLV246xmakesthefulloperatingvoltagerangeof0to5Vavailableforinputandoutputsignals.Toreducedistortionbothinputresistorsareused.DAC(Digital-to-AnalogConverter)WithaRail-to-RailOutputasanAdjustableReferenceVoltageSource31FigureQ85-VDigital-to-AnalogConverterWith0to5-VVDq+5V

18、fTW2771vdigitalinput%GNIDD0-7Vdd畑、OUT1TLC7524CSOUT2WR10KQCD10kQ4Thecombinationofthedigital-to-analogconverterTLC7524andtherail-torailoperationalamplifierTLV2771showninFigure18,formsan8-bitdigital-to-analogconverterpoweredbyasingle-voltagesupplyof5V.TheTLV2771candrivea600-Qload,whichallowstheconvertertobeusedasadigitallyadjustablereferencevoltageso