運放中“軌至軌”運行真正含義是什么？

有關(guān)單電源運放的一個熱門討論話題是：它們是否能夠做軌至軌的輸入或輸出運行。單電源運放的供應(yīng)商都聲稱自己的放大器有軌至軌輸入能力，但芯片設(shè)計者必須做出某些折衷，才能實現(xiàn)這類性能。

圖1 這個運放的組合輸入級采用PMOS和NMOS差分對，因此輸入電壓范圍可以從正電壓軌直到負(fù)電壓軌。

一款常見單電源放大器的輸入結(jié)構(gòu)是有并聯(lián)的PMOS和NMOS差分輸入級，它結(jié)合了這些級的優(yōu)點，實現(xiàn)了真正的軌至軌輸入運行（圖1）。當(dāng)VIN+接近于負(fù)電壓軌時，PMOS晶體管完全導(dǎo)通，而NMOS晶體管完全截止。當(dāng)輸入接近于正電壓軌時，使用NMOS晶體管，而PMOS晶體管則截止。

雖然圖1中小功率精密運放OPA344的輸入級可以軌至軌輸入工作，但電路設(shè)計者必須解決性能的折衷問題。按圖1中的設(shè)計結(jié)構(gòu)，在放大器共模輸入?yún)^(qū)間內(nèi)，偏移電壓會有很寬的變化范圍。在接近地的區(qū)域，輸入級PMOS偏移誤差成份占主要地位。在接近正電源軌的區(qū)域，則主要是NMOS偏移誤差。

圖2 由于放大器的共模電壓會從地改變到正電源，因此CMOS放大器的輸入級在低于3V正電源軌約2V時，從其PMOS輸入對完全改變到其NMOS輸入對。

查看輸入級性能的最佳方式是看偏移電壓與共模輸入電壓之間的關(guān)系（圖2）。圖2中的4.6 MHz軌至軌輸入/輸出CMOS放大器LMP7701在大約1.4V時表現(xiàn)出了偏移電壓誤差的交叉特性。在較低的共模輸入電壓時，PMOS晶體管運行，而NMOS晶體管關(guān)斷。在大約1.1V時，NMOS晶體管開始導(dǎo)通。隨著共模輸入電壓的升高，電路的NMOS部分最終接手工作，而PMOS晶體管完全關(guān)斷。從1.1V至2V區(qū)間，PMOS和NMOS晶體管都在工作。

要盡量減少這種輸入級的交叉效應(yīng)，有一些電路設(shè)計技巧；具體可見“軌至軌輸入放大器應(yīng)用解決方案” (www.edn.com/4400221)。

單電源放大器制造商還稱自己擁有輸出端有軌至軌擺幅的器件。實際上對于這些類型放大器，輸出端不可能完全擺到軌上，只是能夠接近而已。

下次我會聊聊軌至軌放大器的輸出級，以及它實現(xiàn)軌至軌性能的能力。

參考文獻

1 OPA344 data sheet, Texas Instruments, www.ti.com/opa344-ca.

2 LMP7701 data sheet, Texas Instruments, www.ti.com/lmp7701-ca.