对轨对轨运算放大器的理解

轨至轨(rail to rail)概念(2009-11-25 09:14:28)转载▼分类：电子标签：杂谈从输入来说, 其共模输入电压范围可以从负电源到正电源电压; 从输出来看, 其输出电压范围可以从负电源到正电源电压。

Rail to Rail翻译成汉语即“轨到轨”，指器件的输入输出电压范围可以达到电源电压。

传统的模拟集成器件，如运放、A/D、D/A等，其模拟引脚的电压范围一般都达不到电源电压，以运放为例，电源为+/-15V的运放，为确保性能（首先是不损坏，其次是不反相，最后是足够的共模抑制比），输入范围一般不要超过+/-10V，常温下也不要超过+/-12V；输出范围，负载RL>10kohm时一般只有+/-11V，小负载电阻(600ohm)时只能保证+/-10V。

这对器件的应用带来很多不便。

Rail-to-Rail的器件，一般都是低压器件（+/-5V 或 single +5V），输入输出电压都能达到电源（输入甚至可以超过）。

其原理上的秘诀便在于电流模＋NPN/PNP互补输入结构。

rail-to-rail器件的某些设计思想，对我们自己设计电路也可以提供一些有益的思路。

“轨到轨（rail-to-rail）”的特性即：它的输入或输出电压幅度即使达到电源电压的上下限，此时放大器也不会像常规运放那样发生饱和与翻转。

例如，在＋5V单电源供电的条件下，即使输入、输出信号的幅值低到接近0V，或高至接近5V，信号也不会发生截止或饱和失真，从而大大增加了放大器的动态范围。

这在低电源供电的电路中尤其具有实际意义。

TLC2274（轨到轨）与OP07（非轨到轨）的输入输出范围如表2（厂家给出）及图2（实际测定）。

可以看到，TLC2274的动态范围可达4.8V，而OP07（及其它非轨到轨特性的运放）的动态范围仅3V左右。

轨至轨(rail to rail) 运放有一类特殊的放大器具有非常低的端边占用电压（headroom）要求，称之谓输出摆幅与供电电压相同（轨至轨rail to rail）放大器。

轨对轨（rail-to-rail）1.所谓轨对轨（rail-to-rail）运算放大器，指的是放大器输入和输出电压摆幅非常接近或几乎等于电源电压值。

2.不是所有的rail to rail 运放输入和输出都接近电源，有的只是输入有的只是输出，当然也有的输入输出都是rail to rail 的，该类运放的最大特点就是可以扩展信号的电压范围，但一般输出电流较小，在大电流的情况下并不能保证rail to rail。

3.在低电源电压和单电源电压下可以有宽的输入共模电压范围和输出摆幅。

4.轨至轨输入，有的称之为满电源摆幅(R-R)性能，可以获得零交越失真，适合驱动ADC，而不会造成差动线性衰减，实现高精密度应用，有轨至轨运放和轨至轨比较器。

5.rail-to-rail，只是一个概念，其实就是正负电源(±V)供电运算放大器。

☆运算放大器供电方式：1.±V；2.＋V和GND。

这两种供电方式，各有各的特点。

1.±V：用三极管的截止失真来说，这种方式输入，不要加入直流输入成分，它的“静态工作点”电压是0V，所以动态范围非常大，接近电源。

优点：失真小，态范围非常大（振幅接近V）；缺点：双电源输入，电路变得复杂。

2.＋V和GND：还拿三极管的截止失真来说，这种方式输入，如果在输入端不加入直流成分（1/2V），那么在输入信号电压很大时，信号的负半周期，就是出现截止失真。

（设计方案：在输入端加入直流成分（稍稍大于1/2V），它的“静态工作点”电压是1/2V左右，这样所以动态范围也可以非常大，接近电源1/2V左右。

）优点：单电源输入，电路简单；缺点：不接入直流成分，失真大，如果作为高音质声音放大，会引起左右分离度降低等情况。

综上情况，在高性能运算放大器电路中，采用rail-to-rail设计方案比较好。

轨至轨输入/输出功能扩大了动态范围，最大限度地提高了放大器的整体性能。

例如，CMOS型轨至轨输入/输出放大器就比较适用于具有以下特性的单电源应用：输入和输出轨上的摆幅很小、极低的静态电流以及极低的输入偏置电流。

随着单电源运放的广泛的运用,运放的轨至轨输入rail to rail input成为一个时髦的词;现在大部分低电压单电源供电的运放都是轨至轨输入的;TI在轨至轨输入的运放产品方面具有十分领先的优势;本文介绍运放的rail to rail输入的实现以及TI在实现运放的rail to rail 输入方面的领先技术;先说两句废话,解释一下轨至轨,这里的轨指的是电源轨,运放的两个电源供电电压如+/-15V;这两个电源电压就像两条平行的距离为30V的“轨道”一样限制了运放的输入输出信号;运放的轨至轨输入是指运放的输入端信号电压能够达到电源的两个轨,并保持不失真,如上例输入信号电压可达到+/-15V;运放的输入电压范围可在运放的datasheet中找到;就是共模电压范围VcmCommon-Mode Voltage Range;如下表即为OPA365的输入电压范围,可见它是典型的轨至轨输入运放;一般的BJT和JFET是非轨至轨输入的运放;如下表所示为OPA827共模输入电压范围为V-+3V至V+-3V,典型的非轨至轨运放;单电源我们暂且称之为“单电源”运放的输入级通常有三种结构,第一种是采用PMOS 做差分输入级;这样的运入输入级电压可以低于负电源轨甚至,但达不到正电源轨,如OPA336;下表是datasheet中标出的OPA336输入电压范围;它的输入级原理框图如下图,典型的PMOS差分输入级;既然PMOS差分输入级输入电压不能达到正电源轨,那NMOS呢,对头,NMOS差分输入级的输入电压可以达到正电源轨,但是达不到负电源轨,一般会在负电源轨的之上;此时有人想到了,把PMOS和NMOS差分输入级并联起来;在接近电源负电压轨时使PMOS 差分输入级工作,在接近电源正电源轨时使NMOS差分输入级工作;这样不就可以实现运放的轨至轨输入了嘛;太巧妙了;的确早先的轨至轨输入运放就是这样设计的;并且现在也在大量使用这种技术;如下图是OPA703的输入级,就是典型的PMOS与NMOS相并联的运放输入级;当输入共模电压在Vss-<Vcm<Vss+-2V时PMOS处于工作状态,NMOS处于关闭状态;当输入共模电压在Vss--2V<Vcm<Vss++时NMOS处于工作状态,PMOS处于关闭状态;下表是OPA703的datasheet中给出的共模电压输入范围V-至V++.Bipolar输入级运入同样也有这样的结构,如下图是典型PNP与NPN型三级管并联形成的差分输入级;。

轨到轨电路结构一、引言轨到轨电路（rail-to-rail circuit）是一种能够输出信号接近电源轨的电路结构。

在传统的运算放大器中，输出信号范围通常受限于电源电压范围。

而轨到轨电路的出现解决了这一限制，使得输出信号能够接近电源轨，提高了电路的灵活性和适用范围。

二、轨到轨输入电路轨到轨输入电路是轨到轨电路的基础。

它能够接收来自外部的信号，并将其传递给后续的电路部分。

轨到轨输入电路通常由差分放大器和反馈网络组成。

差分放大器能够将输入信号的差异放大，并通过反馈网络将放大后的信号返回给输入端，从而实现对输入信号的放大和处理。

三、轨到轨输出电路轨到轨输出电路是轨到轨电路的另一个重要组成部分。

它能够将经过放大和处理的信号输出给外部设备。

轨到轨输出电路的设计目标是使输出信号能够接近电源轨，即输出信号能够达到电源的最大和最小电压范围。

为了实现这一目标，轨到轨输出电路通常采用了特殊的放大器结构和电源极限设计。

四、轨到轨放大器轨到轨放大器是轨到轨电路的核心部分。

它能够接收输入信号，并将其放大到较大的幅度，然后输出给后续电路。

轨到轨放大器的设计要求能够在整个电源电压范围内提供稳定的放大和处理功能。

为了实现这一目标，轨到轨放大器通常采用了双差分输入结构、共模反馈电路和输出级的极限设计等技术手段。

五、轨到轨运算放大器轨到轨运算放大器是一种特殊的轨到轨放大器。

它能够接收多个输入信号，并将它们进行运算和处理，然后输出结果。

轨到轨运算放大器的设计要求能够在整个电源电压范围内提供稳定的运算和处理功能。

为了实现这一目标，轨到轨运算放大器通常采用了高增益差分输入结构、自动校准电路和输出级的极限设计等技术手段。

六、应用领域轨到轨电路由于其能够输出信号接近电源轨的特性，被广泛应用于许多领域。

例如，音频处理、传感器信号放大、模拟信号处理、数据采集和医疗设备等领域都需要使用轨到轨电路。

轨到轨电路的出现使得这些领域的电路设计更加灵活和高效。

轨到轨运放的电流反馈环
轨到轨运放是一种特殊类型的运算放大器，它的特点是能够输
出电压接近于供电电压的上下限，也就是能够输出接近于正电源和
负电源电压的信号。

而电流反馈环是指在运放的反馈电路中使用电
流作为反馈量来控制放大器的增益和性能。

在轨到轨运放的电流反馈环中，电流反馈被用来控制运放的输
出电流，从而影响输出电压。

这种设计可以使运放的输出电压范围
更广，同时保持良好的线性和稳定性。

通过电流反馈环，可以调节
运放的增益和带宽，以满足不同的应用需求。

从电路设计角度来看，电流反馈环可以提高运放的输出能力和
稳定性，同时减小非线性失真。

这对于需要处理大信号和高精度要
求的应用非常重要。

此外，电流反馈环还可以降低运放的输入阻抗，提高共模抑制比，改善电路的噪声性能。

从应用角度来看，轨到轨运放的电流反馈环广泛应用于需要较
大输出动态范围和精确放大的领域，如传感器接口、数据采集、电
源管理等。

在这些应用中，电流反馈环能够保证信号的准确放大，
并且能够适应不同的输入和输出要求。

总的来说，轨到轨运放的电流反馈环是一种重要的电路设计技术，它能够提高运放的性能和适用范围，满足复杂应用的需求。

通过合理的电流反馈环设计，可以实现更稳定、更精确的信号放大和处理，推动电子技术的发展和应用。

运放中“轨至轨”运行真正含义是什么？ 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。

 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。

轨到轨运放原理轨到轨运放是现代电子设备中常见的一种放大器。

它的主要特点是能够在输出信号接近电源电压的范围内工作，即能够输出接近正负电源电压的最大值和最小值。

这使得轨到轨运放在一些特殊应用中非常有用，比如低电源电压下的运算放大器、电池供电设备以及对输入信号范围要求较高的应用等。

轨到轨运放的工作原理主要依靠其巧妙的电路设计。

在传统的运放中，输出信号的范围受限于电源电压。

当输出信号逼近电源电压的最大或最小值时，传统运放会出现失真现象，无法正常放大信号。

而轨到轨运放通过采用特殊的电路架构和技术手段，克服了这一问题。

轨到轨运放采用了差分放大器电路。

差分放大器电路能够将输入信号分为正负两个分量，并分别放大后再进行合并。

这样可以有效地提高放大器的增益和抑制噪声。

同时，差分放大器电路还可以实现输入信号的偏置，使得输出信号在不失真的情况下能够接近电源电压的范围。

轨到轨运放在输出级使用了更多的晶体管。

传统运放的输出级通常由一对晶体管组成，而轨到轨运放则采用了多个晶体管并联。

这样做的目的是增加输出级的电流能力，提高输出信号的范围和准确性。

轨到轨运放还引入了反馈电路。

反馈电路可以将一部分输出信号反馈到输入端，通过调整反馈系数来控制放大器的增益。

这样可以有效地提高放大器的稳定性和线性度。

同时，反馈电路还可以通过对输入信号进行补偿，使得输出信号能够更好地接近电源电压的范围。

轨到轨运放还采用了一些特殊的工艺和材料。

例如，使用低噪声、高增益的晶体管，以及高精度的电阻等。

这些工艺和材料的选择可以提高运放的性能，使其更加适用于轨到轨放大的应用场景。

总结起来，轨到轨运放通过差分放大器、多晶体管输出级、反馈电路以及特殊工艺和材料的应用，实现了输出信号能够接近电源电压的范围。

这使得轨到轨运放在一些特殊应用中具有重要的作用，提高了电路的性能和可靠性。

同时，轨到轨运放的发展也为电子设备的设计和应用带来了更多的可能性。

常见问答轨到轨输出运算放大器具备哪些优势？John ArdizzoniAnalog Devices Inc.在低电源电压应用中，无论是使用单电源，或是低电压双极性电源，放大器的输入范围和输出摆幅都有一定的限制，有限的输入范围和受限的输出摆幅都会减小放大器的动态范围。

轨到轨放大器不仅有助于扩展这个动态范围，而且还能提高性能。

放大器通常采用射极跟随器(源跟随器)或共发射极(共源极)输出级电路。

射极跟随器可提供较低的失真，但输出摆幅也较小，这是因为输出级晶体管需要在线性区域工作，这样会使输出摆幅减小约1V。

轨到轨输出放大器一般采用共射极或共源极输出电路，虽然这种输出电路无法提供像射极跟随器那么好的性能，但它能提供更宽的摆幅。

轨到轨输出的摆幅能够非常接近电源轨，但由于晶体管上有一定的压降，所以也不能完全达到轨电压，不过两者的差值在几毫伏之内。

场效应管(FET)输入运算放大器能带来什么好处？FET输入的运算放大器具备几个优势。

由于它具有极低的输入偏置电流，通常在pA范围内，因而对输入电路产生的负载也极低，这样就可使用大的源电阻，而不会引入明显的失调电压误差(大小为输入偏置电流与源电阻的乘积)。

由于输入偏置电流如此之低，因此将运算放大器用于反相配置时，就没有必要补偿输入失调电压误差。

在这种配置中，补偿放大器的一种常用方法是采用一个电阻将同相输入端连接到地，该电阻的阻值是反馈和增益设置电阻的并联组合，但现在由于电流很低，这里也不再需要此电阻，因此简化了电路。

FET输入运算放大器的一种常见应用就是在光电二极管检测器应用中作为电流-电压转换器(I-V转换器)。

在这些应用中，光电二极管的电流非常小，因此强制要求所用运算放大器必须具备极低的输入偏置电流，这样才能确保所有的光电二极管电流都通过反馈电阻(产生输出电压)，而不是进入运算放大器中，否则将会在运算放大器电流-电压转换器的预期输出电压中引入误差。

放大器输出阻抗和输出驱动能力如何影响系统性能？低输出阻抗之所以重要是有多方面的原因。