运放中“轨至轨”运行真正含义是什么？

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有关单电源运放的一个热门讨论话题是：它们是否能够做轨至轨的输入或输出运行。单电源运放的供应商都声称自己的放大器有轨至轨输入能力，但芯片设计者必须做出某些折衷，才能实现这类性能。
       
         
        图1 这个运放的组合输入级采用PMOS和NMOS差分对，因此输入电压范围可以从正电压轨直到负电压轨。
       
        一款常见单电源放大器的输入结构是有并联的PMOS和NMOS差分输入级，它结合了这些级的优点，实现了真正的轨至轨输入运行（图1）。当VIN+接近于负电压轨时，PMOS晶体管完全导通，而NMOS晶体管完全截止。当输入接近于正电压轨时，使用NMOS晶体管，而PMOS晶体管则截止。
       
        虽然图1中小功率精密运放OPA344的输入级可以轨至轨输入工作，但电路设计者必须解决性能的折衷问题。按图1中的设计结构，在放大器共模输入区间内，偏移电压会有很宽的变化范围。在接近地的区域，输入级PMOS偏移误差成份占主要地位。在接近正电源轨的区域，则主要是NMOS偏移误差。
         
       
       
        图2 由于放大器的共模电压会从地改变到正电源，因此CMOS放大器的输入级在低于3V正电源轨约2V时，从其PMOS输入对完全改变到其NMOS输入对。
       
        查看输入级性能的最佳方式是看偏移电压与共模输入电压之间的关系（图2）。图2中的4.6 MHz轨至轨输入/输出CMOS放大器LMP7701在大约1.4V时表现出了偏移电压误差的交叉特性。在较低的共模输入电压时，PMOS晶体管运行，而NMOS晶体管关断。在大约1.1V时，NMOS晶体管开始导通。随着共模输入电压的升高，电路的NMOS部分最终接手工作，而PMOS晶体管完全关断。从1.1V至2V区间，PMOS和NMOS晶体管都在工作。
       
        要尽量减少这种输入级的交叉效应，有一些电路设计技巧；具体可见“轨至轨输入放大器应用解决方案” (www.edn.com/4400221)。
       
        单电源放大器制造商还称自己拥有输出端有轨至轨摆幅的器件。实际上对于这些类型放大器，输出端不可能完全摆到轨上，只是能够接近而已。
       
        下次我会聊聊轨至轨放大器的输出级，以及它实现轨至轨性能的能力。