1.前言

在我之前手頭的一個項目，該項目需要一個單位增益運算放大器 (op-amp) 緩沖器，用于我們的薄膜沉積系統(tǒng)中的監(jiān)控電路。插入新模塊后，我發(fā)現(xiàn)靠近正電源的所有信號都被削波了。

我的同事說：“哦，你應(yīng)該改用軌到軌運算放大器。” 這就是我第一次了解到我需要一種特殊類型的運算放大器來防止我的輸入超出范圍。

近年來，越來越多的運算放大器（尤其是低速精密類別的運算放大器）具有包括兩個電源軌的輸入共模范圍 (ICMR)。這對于剛起步的設(shè)計師來說無疑是個好消息，就像我在讀研究生時一樣。在許多情況下，軌到軌輸入/輸出 (RRIO) 放大器的靈活性使其能夠在同一系統(tǒng)中的多個位置使用，從而簡化材料清單 (BOM)。但即使在最小化 BOM 并不那么重要的應(yīng)用中，軌到軌輸入放大器的靈活性仍然具有許多優(yōu)勢。

2.低壓單電源系統(tǒng)中的單位增益緩沖器

可以實現(xiàn)這些優(yōu)勢的一種應(yīng)用是低壓單電源系統(tǒng)中的單位增益緩沖器。便攜式和電池供電的電子系統(tǒng)在許多市場中無處不在，例如個人電子產(chǎn)品、能量收集以及測試和測量。這些系統(tǒng)中的大多數(shù)運行在 3.3V 甚至更低的電壓上，這對信號鏈的 ICMR 造成了壓力。

為了說明這個輸入范圍問題，我們以 OPAx836 系列 ( OPA836 / OPA2836 ) 為例。OPAx836 是一種流行的運算放大器系列，沒有軌到軌輸入，但非常適合便攜式應(yīng)用。OPA836 和 OPA2836 運算放大器以 205MHz 的帶寬和 4.6nV/√Hz 的輸入電壓噪聲實現(xiàn)出色的電源效率，每個通道的靜態(tài)電流僅為 1mA。它們也提供小包裝。這些優(yōu)勢使這些運算放大器能夠用于便攜式應(yīng)用中，在這些應(yīng)用中，功率和占位面積很重要，但性能也不能犧牲。OPAx836 還具有軌到軌輸出 (RRO)，允許在低電源電壓運行時最大化輸出電壓范圍。然而，在輸入端，ICMR 僅為 V S-OPAx836 為 -0.2V 至 V S+ -1.1V。如果放大器電路具有增益（例如 >1.5V/V，在這種情況下輸入不需要填充電源范圍），則 1.1V 的高邊裕量不是問題。但是，對于需要最大化動態(tài)范圍的便攜式系統(tǒng)而言，在單位增益緩沖器中從 3.3V 或更低的總電源范圍中取出 1.1V 可能會變得非常有限制。

3.便攜式設(shè)備中的高端電池監(jiān)控

軌到軌輸入放大器的另一個應(yīng)用是便攜式設(shè)備中的高端電池監(jiān)控。TI 的 THS4281 是一款高速運算放大器，可用于這些用例。它具有軌到軌輸入和 90MHz 帶寬，靜態(tài)電流僅為 0.75mA，使設(shè)計人員能夠構(gòu)建快速靈活的低功耗系統(tǒng)。圖 1 顯示了使用 THS4281 的典型高端電流檢測電路。軌到軌輸入在這里非常方便，因為圖 1 中的輸入共模通常在正軌的 1V 以內(nèi)，這不包括大多數(shù)沒有軌到軌輸入的放大器，包括 OPA836。 

圖 1：使用 THS4281 的電池系統(tǒng)的典型高端電流檢測電路

雖然軌到軌輸入放大器用途廣泛且用戶友好，但有一個問題需要特別注意。大多數(shù)軌到軌輸入放大器使用類似于圖 2 所示的輸入級拓撲結(jié)構(gòu)。該電路結(jié)合了一個主 PNP/PMOS 級，該級從負軌以下工作到距正軌大約 1.5V 和一個“輔助”NPN/NMOS 級，它處理 ICMR 到正軌的最后一個 ~1.5V。因此，通常存在一個“切換”或“交叉”區(qū)域，主級和輔助級之間的過渡發(fā)生在該區(qū)域。

要確定該區(qū)域，請查看失調(diào)電壓 (V OS ) 與輸入共模電壓 (V ICR ) 的關(guān)系圖，如圖 3 所示的 THS4281 曲線。在這種情況下，V OS在 V INCM從 V S+ -1.4V “跳”到 V S+ -1V 標志著切換發(fā)生的區(qū)域。有時在單位增益測量需要精確到 1mV 以內(nèi)的精密應(yīng)用中，這種 V OS跳躍是不可取的。

圖 2：使用雙極結(jié)型晶體管 (BJT)（左）或 MOSFET（右）的軌到軌輸入放大器的一種常見輸入級拓撲

圖 3：THS4281的輸入共模電壓 (V ICR ) 與失調(diào)電壓 (V OS ) 的關(guān)系圖

集成電路設(shè)計人員有各種技術(shù)來降低這種交叉誤差，但除非您添加內(nèi)部電荷泵，否則交叉誤差始終存在。在大多數(shù)情況下，這個交叉區(qū)域是令人討厭的，而不是阻礙。例如，在圖 1 中，只要 V BAT保持在 12V 以下，輸入共模就應(yīng)該保持在交叉區(qū)域之上。同樣，在反相或跨阻放大器電路中，您仍然可以將輸入共模電壓設(shè)置為電源軌內(nèi)的任何值，只要您注意切換區(qū)域即可。此外，由于這些運算放大器電路中的輸入電壓不會移動，因此切換行為不太明顯。

4.結(jié)論

使用具有軌到軌輸入的放大器可以提供許多好處，例如最大化信號鏈動態(tài)范圍和簡化 BOM。有一些事情需要注意，例如交叉期間的 V OS不連續(xù)性。但是，這更令人討厭，我在上面討論過。