轨到轨运放分析

作者: ti 专家 Bruce Trump
翻译: TI信号链工程师 Tom Wang (王中南)  

轨到轨运放十分流行，特别是在那些低电压供电的场合。因此，你应该了解轨到轨运放的工作原理，同时对采用轨到轨运放的设计做一些权衡。
图1所示是一个典型的轨到轨输入级，包含N沟道和P沟道输入对管。其中，P沟道场效应管负责接近负电源轨部分输入电压的导通，这个电压可以稍微低于负电源轨（如果是单电源供电，则可以稍微低于地电位）。N沟道场效应管负责接近正电源轨部分输入电压的导通，这个电压可以稍微高于正电源轨。图中没有画出附加电路，这些电路用来切换哪个输入级连接到后级。在离正电源轨大约1.3V时，许多双输入级运放会发生输入级切换。在这个电压下发生切换的原因是，超过这个电压时，P沟道输入级的门极驱动电压已经很小，不足以驱动P沟道输入对管，因此输入级被切换到N沟道输入级。



P沟道输入级和N沟道输入级输入失调电压不同。如果共模输入电压范围包含了输入级电压切换点的话，比如在增益为1的情况下，将产生输入失调电压的改变。一些运放在出厂时经过激光或电子校准以减少其输入级的失调电压。这也减少了在切换输入级时失调电压的改变量，但改变还是会存在。控制切换输入级的电路是根据输入电压和正电源轨的相对电压来决定何时切换的，而不是根据输入电压和地的相对电压来决定何时切换。这样，对于一个3.3V供电的运放，输入级切换点就落在了一个尴尬的地方-电源中点。

虽然大多数应用都忽略这点，但是这种输入失调电压的改变在需要高精度的场合下会成为一个问题。在交流运用中，它还会带来失真。但这里要强调的是，这种情况只会在输入电压范围包含了输入级电压切换点的情况下才会发生。

图2所示为另一种类型的轨到轨输入级。内部电荷泵将电压提升，使得P沟道输入级供电电压超过正电源轨大约2V。采用这种设计只需要一个输入级就可以实现从低于负电源电压到高于正电源电压的范围内的无缝输入。因为只有一个输入级，所以不用担心因为输入级切换带来的问题。


电荷泵，也许一些设计者听到这个词就感到毛骨悚然。“产生噪声的就是它，难道不是吗？”。但是，目前它已经干净多了，不再产生那么多噪声。由于只需要对输入级供电，供电电流也小了很多。外置电容也不需要，现在都是内部集成。电荷泵产生的噪声低于带内噪声，以至于在时域中很难看见。然而，那些在带内噪声级水平做频谱分析的应用中，还是可以看见一些伪影。
        不是所有应用都需要轨到轨输入。反向放大电路和增益大于一倍的电路通常就不需要轨到轨输入，但是却需要轨到轨输出。你真的需要轨到轨输入的运放吗？许多工程师干脆直接使用轨到轨运放，这样不用担心共模输入的范围。这些工程师在需要和不需要轨到轨的场合均使用相同的运放。然而无论你如何选择，了解关于轨到轨输入运放以及如何权衡的知识，可以更明智的选择运放。如果有疑问，欢迎光临我们的论坛。
这里有一些运放的例子：
•OPA340   双输入级，校准输入偏置，5.5MHz 轨到轨 CMOS
•OPA343   双输入级，未校准输入偏置，5.5MHz轨到轨CMOS
•OPA320   输入级电荷泵，校准输入偏置，20MHz 轨到轨CMOS
•OPA322   双输入级，未经过校准，20MHz 轨到轨CMOS
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