1、Rail-to-Rail(軌對(duì)軌)運(yùn)算放大器的應(yīng)用摘要這篇應(yīng)用報(bào)告幫助設(shè)計(jì)工程師理解Rail-to-Rail（滿幅）運(yùn)放的功能和優(yōu)點(diǎn)。給出了簡(jiǎn)化的電路圖，功能函數(shù)，和輸入輸出中的特征。也論述了滿幅運(yùn)放的典型應(yīng)用電路圖。內(nèi)容索引簡(jiǎn)介。2低壓?jiǎn)坞娫聪碌膭?dòng)態(tài)范圍和信噪比 2輸出部分 2 軌對(duì)軌輸出部分的結(jié)構(gòu) 3 負(fù)載對(duì)信號(hào)的影響 4 轉(zhuǎn)換速率 5 輸出部分概要 5輸入部分 6 標(biāo)準(zhǔn)輸入部分的結(jié)構(gòu) 6 軌對(duì)軌輸入部分的結(jié)構(gòu) 7 輸入部分概要 9使用軌對(duì)軌特征的電路 9 一倍增益放大器 9 供給電流的測(cè)量 9 帶軌對(duì)軌輸出的差分運(yùn)放 10 高達(dá)600KHz的5-VPP方波振蕩器 10 以滿幅輸出作可調(diào)電

2、壓基準(zhǔn)源的D/A 11小結(jié) 11參考書 11圖形目錄1 Rail-to-Rail輸出演示2 TLC227x的輸出部分3 輸出的驅(qū)動(dòng)能力4 TLV246x差分運(yùn)放的負(fù)載要求5 TLV2462帶100W接地負(fù)載的輸出信號(hào) 6 TLV2462帶100W接負(fù)接Vdd/2的輸出信號(hào) 7 反相器 8 從同相放大器改變到緩沖器 9 差分運(yùn)放10 軌對(duì)軌輸入結(jié)構(gòu)11 輸入偏置電流12 輸入失調(diào)電壓13 最小化瞬時(shí)失真14 單倍增溢放大器15 電流電壓轉(zhuǎn)換器16 帶雙運(yùn)放的儀表放大器17 5Vpp，100KHz方波振蕩器18 05V輸出的5V D/A簡(jiǎn)介使用單5V或盡可能更低的工作電壓在電子設(shè)備中越來(lái)越廣泛。便

3、攜系統(tǒng)的電源能夠低到用一個(gè)電池（1.5V）供電。降低的供給電壓的設(shè)計(jì)必須在電源持續(xù)期間能提供可用的動(dòng)態(tài)范圍。使信號(hào)放大到從負(fù)壓到正壓的整個(gè)供給電壓范圍內(nèi)，這樣的運(yùn)放被稱為軌對(duì)軌運(yùn)放。可用范圍是一個(gè)很重要的數(shù)值，因?yàn)樗绊憚e的參數(shù)，例如，噪聲系數(shù)，信噪比（SNR）和動(dòng)態(tài)范圍。信號(hào)源常被連接到供給電壓的正端或負(fù)端。用一個(gè)器件來(lái)匹配兩個(gè)信號(hào)源需要運(yùn)放有軌對(duì)軌的輸入性能。這份說(shuō)明解釋了滿幅運(yùn)放的功能和用法。單電源，低壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍和信噪比（SNR）簡(jiǎn)化工作電壓從15V 分離供壓到單5V供壓，要注意的是減小了最大的可用動(dòng)態(tài)范圍。輸出端的動(dòng)態(tài)范圍決定于輸出電壓的最大值和最小值的比值。一個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的的運(yùn)放

4、，如TLC271指定單5V供電，最大3.8V的輸出擺幅，這就意味著整個(gè)供電電壓范圍不能用于輸出擺幅，以至于進(jìn)一步減小最大的動(dòng)態(tài)范圍和信噪比（SNR）。一個(gè)軌對(duì)軌運(yùn)放，如TLV24xx系列，在有信號(hào)狀態(tài)下輸入輸出端能使用整個(gè)供電電壓范圍。 運(yùn)放干擾級(jí)別不受供電電壓的影響，這使有用信號(hào)和噪聲信號(hào)的差異減小。如果運(yùn)放用于交流信號(hào)，從直流中退偶信號(hào)，那么噪聲形成就成為主要的干擾信號(hào)。對(duì)于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)放，如TLC271C，在單5V，帶寬為1M時(shí)輸入的噪聲電壓Vn=68nV，低的輸出范圍允許最大3.8V的信號(hào).，那么單倍增溢的信噪比（SNR）是95.4dB20log(4V/68uV).同樣的配置，一個(gè)滿幅

5、放大器，例如TLV246xI，Vn=11nV,輸入輸出端的最大信號(hào)是5V，在帶寬BW=1MHz時(shí)的信噪比（SNR）是113dB20log(5V/11uV). 在精密系統(tǒng)中，運(yùn)放必須準(zhǔn)確的放大直流電壓，這方面的錯(cuò)誤來(lái)自偏置和增溢問(wèn)題。在一個(gè)恒定共模電壓的5V系統(tǒng)中,TLC271C的輸入失調(diào)電壓Vio=1.1mV,在單位增溢的配置中,它單獨(dú)限制了動(dòng)態(tài)范圍為71dB=20log(3800/1.1),但是,在同樣的電路中,偏置電壓Vio=20uV,帶滿幅輸出特性的TLV245x, 有引人注意的高動(dòng)態(tài)范圍108dB=20log(5000/0.02).當(dāng)信噪比和動(dòng)態(tài)范圍接近臨界參數(shù)時(shí),運(yùn)放的滿幅度性能更能

6、保證達(dá)到這些參數(shù).輸出部分如果標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)放的輸出擺幅不能滿足系統(tǒng)的要求(例如A/D的輸入范圍),那么就必須用滿幅運(yùn)放.有軌對(duì)軌輸出階段的運(yùn)放能在低的單電壓系統(tǒng)中達(dá)到最大的信號(hào)輸出擺幅.它們能產(chǎn)生達(dá)到供電電壓的信號(hào).大的輸出電壓擺幅將會(huì)增大動(dòng)態(tài)范圍.例如,圖1顯示了TLV2462在單5V信號(hào)輸入時(shí)的輸出信號(hào).TLV2462工作在單5V電源電壓下,作為一個(gè)電壓跟隨器,驅(qū)動(dòng)1KW的負(fù)載.低的1kW負(fù)載會(huì)幾毫伏的壓降, 這在圖中是看不出的.軌對(duì)軌輸出部分的結(jié)構(gòu)軌對(duì)軌特性是由改變輸出過(guò)程的結(jié)構(gòu)來(lái)完成的.圖2顯示了TLC227x中軌對(duì)軌的COMS輸出過(guò)程的基本結(jié)構(gòu).一互補(bǔ)MOS晶體管對(duì)(COMS),包含一個(gè)自

7、鎖的P溝道和N溝道,形成輸出端.2個(gè)晶體管都連成共源極電路,一個(gè)共源極電路的功能就象三極管的一個(gè)共發(fā)射極電路的功能.隨著電流的擴(kuò)大,電壓也跟著擴(kuò)大.輸出端晶體管的損耗電壓Vds(源極-漏極電壓)對(duì)電壓增溢有不利的影響.當(dāng)通過(guò)一個(gè)MOS管的電流增加,源極與漏極間的電阻也有微小的增加,當(dāng)負(fù)載增大時(shí),源極-漏極間電阻以及增加的電流會(huì)導(dǎo)致更高的損耗電壓Vds(源極-漏極電壓),因此,滿幅度運(yùn)放的全范圍輸出只能用于低負(fù)載.圖3顯示了TLV243x和TLV246x在輸出能力上的這種特征.由負(fù)載引起的輸出信號(hào)降低也導(dǎo)致了開環(huán)增益Avd 的降低.因?yàn)殚_環(huán)增益是隨連接的負(fù)載的變化而變的,在比較不同放大器的開環(huán)增

8、益是總是應(yīng)該考慮負(fù)載.圖4 顯示了阻性負(fù)載對(duì)TLV246x放大信號(hào)的影響.負(fù)載對(duì)信號(hào)的影響當(dāng)討論負(fù)載對(duì)信號(hào)的影響的時(shí)候，要知道負(fù)載將要連接的電勢(shì)，這很重要。在單電源的應(yīng)用中，典型的接法是把負(fù)載連接到地（0V）。滿幅輸出的必要條件是有提供負(fù)載電流的能力。圖5 用TLV2462來(lái)說(shuō)明這一點(diǎn)。TLV2462連成單位增益放大器來(lái)驅(qū)動(dòng)一個(gè)100 W的負(fù)載，負(fù)載的另一端接地，因?yàn)殡娏髁鹘?jīng)晶體管造成的600mV壓降，輸出只能驅(qū)動(dòng)信號(hào)最大至4.4V，而最小電壓達(dá)到地電壓0V。在輸出電壓為0V時(shí)，沒(méi)有電流流經(jīng)負(fù)載，因此負(fù)載兩端是相等的電勢(shì)。沒(méi)有電流，輸出晶體管也就沒(méi)有壓降，驅(qū)動(dòng)接地負(fù)載（負(fù)載驅(qū)動(dòng)端的另一端接地）

9、時(shí)，負(fù)載電流對(duì)輸出信號(hào)的限制只發(fā)生在高電壓期間。軌對(duì)軌輸出不應(yīng)該只限制于給負(fù)載提供電流，他也應(yīng)該有吸收電流的能力，所有德州儀器（TI）的軌對(duì)軌輸出部分都具有提供和吸收電流的能力。圖6 顯示以TLV2462作為單增益放大器來(lái)驅(qū)動(dòng)100W，另一端接半電源電壓Vdd/2的負(fù)載，如圖6所示隨著輸入信號(hào)達(dá)到最大值，輸出信號(hào)也擴(kuò)寬了。在這個(gè)例子中，在最小和最大電壓值時(shí)，最大電流流過(guò)各自的輸出晶體管，因此在各自的峰值電壓有300mV的壓降使得輸出信號(hào)限制在4.4Vpp內(nèi)。轉(zhuǎn)換率另一個(gè)對(duì)交流特性很重要的參數(shù)就是輸出部分的轉(zhuǎn)換率，轉(zhuǎn)換率是衡量電壓上升和跌落速度的可能有的最大值，也就是電壓變化對(duì)時(shí)間的比率。為了不

10、失真地重現(xiàn)一個(gè)正弦信號(hào)，使用現(xiàn)面地方程式：SR 2pFmax Vp - (1)方程1 說(shuō)明，如果輸出電壓因較低的電源而減小，那么需要的轉(zhuǎn)換速率會(huì)和可能存在的電勢(shì)成比率地減低，當(dāng)比較CMOS滿幅運(yùn)放和標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)放時(shí)，這一點(diǎn)是應(yīng)該注意的。輸出范圍為13 V的標(biāo)準(zhǔn)放大器需要轉(zhuǎn)換率為82V/ms來(lái)準(zhǔn)確地重現(xiàn)1MHz，26Vpp地正弦波信號(hào)。單電源3V的滿幅放大器只需要轉(zhuǎn)換率為9.4 V/ms就能不失真地重現(xiàn)1MHz，3Vpp地正弦波信號(hào)。轉(zhuǎn)換率還和負(fù)載有關(guān)，隨著負(fù)載額增加而減小。輸出部分概要兩個(gè)滿幅輸出之間的品質(zhì)只能在相同負(fù)載的條件下比較。輸出空載時(shí)，可能每個(gè)滿幅運(yùn)放都能使輸出信號(hào)到達(dá)電源幅值。滿幅輸出

11、應(yīng)該同時(shí)具備提供和吸收電流的能力，以便也用來(lái)驅(qū)動(dòng)不是接地地負(fù)載。低電壓供電的運(yùn)放只能提供給只需要低轉(zhuǎn)換率的低幅值信號(hào)。輸入部分在某些應(yīng)用中，運(yùn)放除了要求能滿幅度輸出，同時(shí)也要求能滿幅度輸入。輸入腳的信號(hào)必須在輸入共模電壓范圍（VICR）之內(nèi)以保證放大器的功能。軌對(duì)軌輸入部分提出VICR，它最低限度地包含了整個(gè)輸入范圍。在低壓系統(tǒng)中，TLV246x的VICR擴(kuò)展超過(guò)最大動(dòng)態(tài)范圍的幅值200mV。滿幅輸入有有利點(diǎn)，也有不利點(diǎn)；它不是每個(gè)應(yīng)用中都需要，而是只能在那些輸入信號(hào)超出了規(guī)定的共模電壓范圍的地方使用。圖7 顯示了一個(gè)連接成反相放大器的典型運(yùn)放。電阻RF和RG決定該電路的增益。RC補(bǔ)償輸入偏置

12、電流產(chǎn)生的失調(diào)誤差。 同相輸入端連接到一基準(zhǔn)電壓Vref. 共模輸入電壓的值保持不變，因?yàn)槭欠聪噍斎耄ㄟ^(guò)反饋，獲得同相輸入端相同的參考電壓。在雙電源系統(tǒng)中，典型接發(fā)是同相端接地。對(duì)于單電源系統(tǒng)，大多數(shù)是接供給電壓的中點(diǎn)。在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)放的大多數(shù)應(yīng)用中，共模輸入電壓范圍包含了上面所說(shuō)的共模輸入電壓. 如果參考電壓Vref 位于規(guī)定的共模輸入電壓范圍VICR之內(nèi)，那么如圖7所示的電路就不需要滿幅輸入了。圖8 顯示的電路是不同的，這里的反相輸入也是由于反饋而跟隨同相輸入變化的。在這個(gè)例子中，同相輸入端沒(méi)有固定的電壓（電壓基準(zhǔn)），而是接輸入信號(hào)本身。在高增益中，輸入信號(hào)很小，位于標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)放的共模輸入電壓

13、范圍VICR之內(nèi)。如果電阻RG被去掉，就是一個(gè)單倍放大器，或叫阻抗變換器，或叫電壓跟隨器。該電路提供的放大倍數(shù)是1，因此輸出電勢(shì)就等于輸出電勢(shì)。如果滿幅運(yùn)放的整個(gè)輸出范圍都作用于信號(hào)，那么也會(huì)要求能滿幅輸入。帶滿幅輸入和滿幅輸出的運(yùn)放主要應(yīng)用在阻抗變換器和高邊感應(yīng)中。標(biāo)準(zhǔn)輸入部分的結(jié)構(gòu) 在標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)放中，使用的是三極管工藝，如圖9所示為一差分運(yùn)放的輸入，包含理想的對(duì)稱晶體管。為達(dá)到共模輸入范圍的地電勢(shì)，這里主要使用PNP型晶體管，同樣，在CMOS工藝中使用P溝道晶體管。通過(guò)PNP管有大約0.7V的壓降，通過(guò)偏置電流源大約有0.3V的壓降。這就導(dǎo)致受限制的共模范圍，常常位于電源電壓正極以下至少1V

14、。另一方面，共模輸入電壓范圍擴(kuò)展到負(fù)電源電壓，或者略微超過(guò)。為了能使用整個(gè)供給電壓范圍，標(biāo)準(zhǔn)差分運(yùn)放的結(jié)構(gòu)必須被改變。滿幅輸入部分的結(jié)構(gòu)有多種方法來(lái)構(gòu)造這些輸入類型，圖10 顯示使用兩種不同技術(shù)的滿幅輸入部份的常用結(jié)構(gòu)。三極管輸入部分用于TLV245x和TLV246x中，TLV247x系列中是用CMOS工藝來(lái)設(shè)計(jì)的。三極管輸入部分在圖10中清楚的顯示出兩個(gè)差分運(yùn)放被同時(shí)驅(qū)動(dòng)，如前面所提到的，PNP型晶體管構(gòu)成的差分會(huì)運(yùn)行達(dá)到最大共模電勢(shì)至低于供電電壓。以NPN型晶體管構(gòu)成的差分運(yùn)放需要至少1V 的共模電壓。表 1. 不同的共模輸入電壓范圍單電源（VDD）的共模輸入電壓范圍差分放大器類型最大負(fù)極

15、輸入電壓最大正極輸入電壓共模輸入電壓VICRPNP0VVDD 1V0V to （VDD 1V）NPN1VVDD1V to VDDPNP+NPN0VVDD0V to VDD如表1 所示，在滿幅輸入部分有3個(gè)輸入范圍。在0V到大約1V的輸入范圍內(nèi)，只有PNP型差分放大器是工作的，從大約1V到大約（VDD 1）V的范圍內(nèi)，兩種晶體管都工作。從大約（VDD 1）V 直到VDD，只有NPN型放大器工作。兩種差分放大器，依照晶體管的類型，有不同極性輸入偏置電流IIB. 在VICR中兩種晶體管放大器都工作的范圍內(nèi)，這些偏置電流相互補(bǔ)償，形成的總偏置電流大約比標(biāo)準(zhǔn)三極管輸入部分小1000倍。在不同的范圍中，輸

16、入失調(diào)電壓也不一樣，決定于工作的晶體管放大器。圖11 和圖12 顯示了TLV245x系列的這兩種參數(shù)值。在從大約1V到（VDD 1）V的范圍內(nèi)，這個(gè)特征是有好處的，那就是輸入部分比這種工藝的標(biāo)準(zhǔn)三極管典型輸入部分有更低的偏置輸入。圖11和圖12中不同的偏置電流和失調(diào)電壓回在每個(gè)階段產(chǎn)生不同的輸出誤差。如果整個(gè)輸入范圍都被用到，那么在個(gè)體范圍之間過(guò)度處就會(huì)產(chǎn)生失真。如圖7和圖8那樣，通過(guò)串聯(lián)一電阻RC，有可能減少在過(guò)渡階段由偏置電流引起的誤差。需要的電阻值如下：現(xiàn)在，偏置電流經(jīng)過(guò)電阻器在兩個(gè)輸入端引起相等的壓降，為最小化由偏置電流引起的壓降，所有的電阻值都必須盡可能的小，RC的典型值是在10kW

17、以下。這很明顯的減少了過(guò)渡失真。 為強(qiáng)調(diào)補(bǔ)償電阻的作用，在圖13所示的電路中，特意選用最大的電阻值10kW，兩個(gè)同相放大器設(shè)置成增益為1。左邊的放大器在反饋電路中沒(méi)有電阻，右邊放大器的兩個(gè)輸入端連接相等的電阻作為補(bǔ)償電阻，這平衡了兩個(gè)輸入端上由輸入電流引起的壓降，把總的諧波失真(THD)從0.025%減少到0.008%。輸入部分概要 這部分說(shuō)明滿幅輸入并不是在每一個(gè)應(yīng)用中都是必須的。在很多實(shí)例中，一個(gè)規(guī)定的輸入范圍，例如TLC450x的，就足夠了。滿幅輸入最主要的優(yōu)點(diǎn)是有更高的共模輸入范圍，在0V直到VDD甚至超過(guò)這兩個(gè)幅值的整個(gè)共模輸入內(nèi)有可能被驅(qū)動(dòng)。一個(gè)不利點(diǎn)就是共模輸入范圍里過(guò)渡所引起的

18、額外失真。如果共模電壓是固定的或者恰好是共模輸入范圍內(nèi)的一部分，那么滿幅輸入部分就和常用的標(biāo)準(zhǔn)輸入部分表現(xiàn)相似。使用滿幅特性的電路以下的電路使用滿幅特性的優(yōu)點(diǎn)單倍增益放大器圖14 顯示了一緩沖器電路。TLV246x的滿幅特性為輸入和輸出信號(hào)獲得可用的0V至5V全范圍電源電壓。為減少失真使用了兩個(gè)輸入電阻。供給電流的測(cè)量圖15 電路中TLV246x的滿幅輸入允許在5V系統(tǒng)中測(cè)量負(fù)載電流。通過(guò)把分流電阻RS兩端壓降作為差分輸入來(lái)測(cè)量流過(guò)RL的負(fù)載電流，這個(gè)輸入電壓被放大100倍。滿幅輸出允許產(chǎn)生高達(dá)供給電壓的輸出電壓。輸出電壓和負(fù)載電流是成比例的。為選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)姆至麟娮鑂S設(shè)置最大的負(fù)載電流。因此RS計(jì)算如下：滿幅輸出的差分放大器具有100dB典型共模抑制比和1uV/K低溫度漂移的TLC4502，有突出的性能來(lái)構(gòu)造儀表放大器，如圖16 所示。通過(guò)使用兩個(gè)運(yùn)放來(lái)為差分信號(hào)取得高輸入阻抗。兩個(gè)電阻器RP1和RP2提供過(guò)電流輸入保護(hù)，電阻R1和R2的阻值誤差必須在0.1%內(nèi)，以取得高共模抑制。電阻RG調(diào)整整個(gè)差分運(yùn)放的增益。滿幅輸出信號(hào)按照下面的方程式計(jì)算：高達(dá)600Hz的5V方波震蕩器圖17 顯示了一個(gè)用滿幅運(yùn)放TLV277x構(gòu)成的5V方波發(fā)生器。這個(gè)放大器提供滿幅輸出和10.5V/us的轉(zhuǎn)換速率。在這個(gè)電路中，TLV277x能輸出高達(dá)600KHz的5V方波，頻率