鐵路多年來(lái)一直有軌到軌的組件，事實(shí)上，這些組件幾乎是鐵路到鐵路。運(yùn)算放大器采用幾乎軌到軌的傳統(tǒng)。本應(yīng)用筆記討論了軌到軌運(yùn)算放大器，并解釋了為什么某些輸入和輸出可能小于、接近或略高于電源軌。

介紹

對(duì)一些人來(lái)說(shuō)，鐵路旅行讓人聯(lián)想到懷舊的形象。他們看著一個(gè)舊的火車引擎，它代表了過(guò)去時(shí)代的時(shí)間和生活方式。它暗示了一個(gè)更簡(jiǎn)單、更慢的時(shí)間。這種形象與今天的通勤甚至航空旅行完全不同。今天的大多數(shù)商務(wù)旅行都是在奔波中完成的。可悲的是，在機(jī)場(chǎng)安檢線等待大約是我們唯一一次不跑來(lái)跑去。

軌道設(shè)備上的法蘭輪引導(dǎo)軌道上的輪子。蒸汽、柴油、電動(dòng)甚至子彈頭列車每天都在軌到軌的法蘭車輪上運(yùn)行。在拐角處和通過(guò)開關(guān)，法蘭引導(dǎo)重載。輪緣是否跨越軌到軌？是的，但不完全是。為了轉(zhuǎn)動(dòng)，車輪需要一點(diǎn)間隙。需要了解車輪、車軸、軌道和熱膨脹的制造公差，才能使鐵路安全運(yùn)行。

Maxim的運(yùn)算放大器使用軌到軌與鐵路無(wú)關(guān)。盡管如此，鐵路還是很好地描繪了這種現(xiàn)象。正如列車的電源軌對(duì)列車的橫向移動(dòng)施加了限制一樣，運(yùn)算放大器電源軌也對(duì)輸入和輸出的電壓擺幅施加了限制。與鐵路一樣，對(duì)于運(yùn)算放大器，“軌到軌”可能意味著“幾乎軌到軌”。正如我們將看到的，該術(shù)語(yǔ)對(duì)于輸入和輸出可能意味著不同的東西。它也可能不僅僅意味著鐵路到鐵路。

軌到軌和現(xiàn)代運(yùn)算放大器

早期運(yùn)算放大器的輸出驅(qū)動(dòng)在信號(hào)接近電源軌時(shí)耗盡電流。當(dāng)信號(hào)峰對(duì)峰幾伏并且電源為正負(fù) 12V 或 15V 時(shí)，沒有問題。然而，隨著電源的減少，軌到軌信號(hào)擺幅變得非常理想。因此，電路配置隨時(shí)間而變化。軌到軌和軌外?輸入和軌到軌輸出在現(xiàn)代運(yùn)算放大器上很常見。

圖2.具有六個(gè)晶體管的早期運(yùn)算放大器。

第一個(gè)運(yùn)算放大器使用真空管（空心狀態(tài)器件），然后使用分立晶體管，如圖2所示。這些電路導(dǎo)致了集成運(yùn)算放大器。今天的集成電路非常復(fù)雜，復(fù)雜的電路使用數(shù)百個(gè)晶體管。

軌到軌輸入

用于軌到軌輸入的運(yùn)算放大器輸入級(jí)使用兩對(duì)晶體管。有源器件可以是MOS（圖3）、雙極性（圖4）或CMOS。

圖3.MOS軌到軌輸入級(jí)。

與大多數(shù)工程一樣，設(shè)備之間需要權(quán)衡性能。溫度穩(wěn)定性、輸入阻抗、頻率響應(yīng)和失調(diào)電流因不同的晶體管系列而異。這意味著晶體管的選擇取決于應(yīng)用。1

圖4.雙極性運(yùn)算放大器輸入級(jí)。

在圖3和圖4中，“P”輸入對(duì)將在最負(fù)電源限值附近處于活動(dòng)狀態(tài)。“N”輸入對(duì)將在最正電源限值附近處于活動(dòng)狀態(tài)。在工作范圍的中心，信號(hào)必須從一對(duì)轉(zhuǎn)換到另一對(duì)。在轉(zhuǎn)換時(shí)，失真將上升，輸入電流將在對(duì)之間發(fā)生變化（圖 5）。MAX4122對(duì)此進(jìn)行了說(shuō)明。當(dāng)軌到軌輸入放大器的共模輸入電壓從一個(gè)電源軌掃描到另一個(gè)電源軌時(shí)，輸入偏置電流在符號(hào)和幅度上都會(huì)發(fā)生變化。許多現(xiàn)代IC技術(shù)都集中在減少失真和平衡電流上。

與其他軌到軌運(yùn)算放大器不同，MAX4091系列運(yùn)算放大器的過(guò)渡區(qū)域已擴(kuò)大至約600mV，以盡量減少這種失配引起的CMRR的輕微下降。仔細(xì)研究數(shù)據(jù)手冊(cè)對(duì)于理解這些問題非常重要。在低電壓、低電流運(yùn)算放大器中，經(jīng)常會(huì)看到有關(guān)交越失真的警告，以及建議偏置敏感信號(hào)以避免交越點(diǎn)的情況。

圖5.MAX4122運(yùn)算放大器的軌到軌輸入級(jí)偏置變化

盡管MAX4091運(yùn)算放大器系列采用雙極性工藝，但輸入偏置電流通常小于20nA。由于偏置電流在NPN輸入級(jí)激活時(shí)流入器件，在PNP輸入級(jí)激活時(shí)流出，因此有必要考慮該電流的影響。為了減少流經(jīng)外部源電阻的輸入偏置電流引起的失調(diào)誤差，這些阻抗應(yīng)匹配良好。數(shù)據(jù)手冊(cè)對(duì)此進(jìn)行了詳細(xì)討論。

在運(yùn)算放大器數(shù)據(jù)手冊(cè)中還有另一個(gè)重要特性需要注意，其聲明類似于以下內(nèi)容：過(guò)驅(qū)動(dòng)輸入沒有反相或閂鎖。兩者都是早期運(yùn)算放大器的常見問題，它們?cè)诖蠖鄶?shù)電路中都會(huì)造成嚴(yán)重破壞。一些閂鎖條件甚至導(dǎo)致設(shè)備損壞。

對(duì)于MAX4091系列等典型的軌到軌運(yùn)算放大器，輸入共模范圍超出正負(fù)電源軌50mV。該范圍已發(fā)展到超過(guò)MAX100系列正負(fù)電源軌的9910mV。進(jìn)一步改進(jìn)后，MAX4220和MAX4091系列開發(fā)了專有的超擺幅技術(shù)。后一種器件可將 200mV 擴(kuò)展至正電源軌和負(fù)電源軌之外。

圖6.輸入電路，包括輸入范圍內(nèi)的接地。

圖6顯示了運(yùn)算放大器的典型雙極性配置，該放大器包括共模范圍內(nèi)的接地軌。具有這種負(fù)電源軌能力的雙極性器件是MAX4493和LMX321系列。CMOS等效器件是MAX4475和MAX4036系列。

軌到軌輸出

圖7.軌到軌輸出級(jí)（a）和標(biāo)準(zhǔn)輸出級(jí)（b）。

就像幾乎軌對(duì)軌的鐵路輪緣一樣，運(yùn)算放大器的輸出電路幾乎是軌對(duì)軌。有關(guān)這一點(diǎn)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)手冊(cè)信息是一條聲明，說(shuō)明輸出電壓擺幅在負(fù)載為“n”Ω電源的“n”mV以內(nèi)。

軌到軌輸出級(jí)（圖7a）具有共發(fā)射極配置，而標(biāo)準(zhǔn)輸出級(jí)（圖7b）具有發(fā)射極-跟隨器配置。觀察數(shù)據(jù)手冊(cè)的負(fù)載條件。人們可能期望負(fù)載接地，但負(fù)載通常連接到電源值的一半。軌到軌輸出規(guī)格始終為輕負(fù)載。隨著負(fù)載（電流）的增加，放大器在電源軌附近的擺幅降低。因此，如果在接近電源幅度（電源軌）的電壓下需要低失真大電流，則必須考慮增加電源電壓并使用傳統(tǒng)的運(yùn)算放大器。另一種選擇是使用MAX4162運(yùn)算放大器系列，它采用新穎的方法解決標(biāo)準(zhǔn)軌到軌輸出級(jí)的問題。這些運(yùn)算放大器具有經(jīng)典的發(fā)射極-跟隨器輸出級(jí)，但通過(guò)內(nèi)部電荷泵轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)軌到軌輸出，該轉(zhuǎn)換器提供內(nèi)部電源電壓以偏置多個(gè)放大器級(jí)，包括輸出級(jí)。因此，輸入級(jí)具有標(biāo)準(zhǔn)的接地檢測(cè)配置，但允許輸入從地?cái)[幅至V。CC2.與往常一樣，應(yīng)用決定了最佳電路配置。

總結(jié)

軌到軌運(yùn)算放大器具有一系列典型輸出擺幅，適用于各種器件。MAX4091系列的典型輸出擺幅為15kΩ負(fù)載時(shí)電源電壓的100mV以內(nèi)。當(dāng)作為壓跟隨器連接時(shí)，MAX4321的輸出擺幅為0.02V至2.97V，采用+3V電源供電，負(fù)載為100kΩ接地。MAX4321的最大輸出電壓擺幅取決于負(fù)載，但即使最大負(fù)載為300Ω地，在+5V電源的250mV以內(nèi)。當(dāng)作為電壓跟隨器連接時(shí)，MAX4230保證在正電源軌的500mV以內(nèi)（VDD= 2.7V），即使最大負(fù)載為32Ω至地。MAX4240–MAX4244的輸出級(jí)可以驅(qū)動(dòng)高達(dá)10kΩ的負(fù)載，擺幅仍保持在供電軌的40mV以內(nèi)。因此，應(yīng)用程序有助于定義正確的零件。

鐵路旅行是懷舊的，軌到軌法蘭輪仍然是引導(dǎo)列車。對(duì)于運(yùn)算放大器，我們已經(jīng)看到輸入的“軌到軌”甚至意味著超越軌。對(duì)于輸出，就像鐵路一樣，它可能意味著幾乎是軌到軌。隨著技術(shù)的進(jìn)步，運(yùn)算放大器可能會(huì)繼續(xù)改進(jìn)，并且由于其優(yōu)點(diǎn)，它們將被使用多年。

審核編輯：郭婷