運放的輸入軌、輸出軌及電源軌

電源 供電與輸入輸出軌

我們在選擇運放的時候，第一步需要考慮的就是運放的供電。大部分情況下，我們需要放大的信號都是共模電壓接近0的微弱直流或者交流信號，如果我們選擇了需要正負供電的運放，而提供的負電源軌又是GND的時候，小信號往往無法得到正確的放大，造成電路設計錯誤。

因此，在面對運放的其他參數選擇前，我們應當明確運放的幾個重要且非常基本的參數：供電范圍，共模輸入范圍（輸入軌），以及輸出軌。

運放的輸入軌

由于運放的同向反向輸入電壓在正常工作模式下幾乎相等，比如同向端輸入電壓是25mV，運放在負反饋的閉環工作情況下，反向端電壓可能是24.999mV，則他們的共模電壓是24.9995mV。由于這三者之間的差異非常小，我們通常可以用任意一端的電壓來表征其他兩個輸入電壓。

運放能夠放大的信號是根據電源軌決定的，一般運放都會給出一個共模輸入范圍，這個范圍是根據運放的正負電源供電范圍決定的。因此，我們首先要確認，如何使得我們需要放大的信號，能夠被運放的共模輸入電壓范圍所覆蓋，比如下圖TL072的描述，他的共模輸入范圍就是負電源軌道+1.5V到正電源軌。

再比如常用的LM358，特點就是支持進地端的測量，因此，其共模輸入范圍能夠從負電源軌延伸到正電源軌-1.5V。

如果選擇了第一種TL072的物料，也就是輸入范圍是(Vs-)+1.5V到Vs+,這個時候，如果我們將Vs-設置為GND，則輸入的范圍最小就達到了1.5V,無法針對1.5V以下的電壓進行測量了。此時如果仍然想對0點附近的小信號進行測試，則必須構建負電源，將Vs-設置為，比如-5V，那么此時的共模輸入范圍就變成了-3.5V到3.5V，對于0點附近的小信號仍然可以正常放大。

而對于第二種運放，輸入范圍是(Vs-)到（Vs+）-1.5V。這個時候，如果我們將Vs-設置為GND，Vs+設置為5V，則共模電壓輸入范圍就是0-3.5V，此時我們可以放大比如30mV的小信號。往往將這類運放稱為，單電源運放。但是隨著理解的深入，我反而覺得這個稱呼會帶來錯誤的誘導，因為我們的電源都是有一個參考，單電源只不過是默認了負電源為GND而已。而且如果要放大的信號共模電壓如果是4.5V，那么第二種運放，就算單電源供電，同樣也無法正常工作。因此理解了輸入信號與輸入共模電壓的關系，以及輸入共模電壓和電源軌的關系的本質，我們才可以做出正確的判斷。

運放的輸出軌

我們再來說運放的輸出軌，眾所周知，我們使用運放的目的是，將信號進行放大，那么必然我們期望運放的輸出電壓是比較大的信號，通常在V的級別。但是運放的放大倍數是否能夠設置成很大呢？答案肯定是否定的，其中有一個因素就是，運放輸出的電壓，不能超過輸出電源軌。而輸出電源軌，又是由供電軌決定的，還是以TL072為例。其輸出相對于電源軌的擺幅，距離正電源軌可以達到1.5V。這意味著如果你的供電是5V，則最大輸出信號只能達到3.5V。

而有一類運放，能夠將輸出的擺幅做到與電源軌基本一致，這類運放我們成為軌到軌運放，這里的兩個“軌”，指的就是輸出的電壓能夠逼近（注意是逼近，而不是等于）電源軌。而區分是否為軌到軌運放的指標，也就是輸出電壓與電源軌的差距，通常認為是500mV，比如下圖的OPA2188，宣傳的特點就是軌道軌運放，其輸出電壓距離電源軌的電壓差異基本在350mV以內。

這樣當我們給運放供電電源為±5V，輸出不接負載的時候，其輸出電壓能夠達到-4.985~+4.985V。

運放的電源軌

介紹完了輸入軌與輸出軌，電源軌的概念就非常好理解了，電源軌給我們提供了一個工作的電壓區域，這個區域劃定以后，通過運放的參數特性決定了輸入共模的電壓范圍以及輸出電壓的范圍，這兩個范圍都不可能超過電源軌的電壓范圍（至少我還沒遇到過，也不排除有的運放可以內置升壓電路）。那也許你還會想，既然電源軌的范圍很重要，那我把電源軌的范圍設置成非常寬，比如±18V，這樣就能夠適應很大的輸入和輸出范圍了。比如下面這個運放，建議的電源電壓范圍內就是40V，也就是最大可以給到±20V的供電電壓。給足夠大的范圍是可以適配更大的輸入和輸出范圍，但是構建這個大范圍的電源，往往帶來額外的成本。因此還是需要綜合考慮整體系統的輸入輸出指標，最終確定滿足要求的最合理的供電電源。