上述兩種情況是由于放大器的輸入范圍與輸出范圍這兩個(gè)參數(shù)影響了放大電路。
輸入電壓范圍(Input VoltageRange)
使得放大器能夠正常工作的最大的輸入電壓范圍。通常我們也將其稱為放大器的輸入軌。
圖2 ADA4004數(shù)據(jù)手冊
圖 2所示為ADA4004在正負(fù)5V供電的情況下,其輸入的電壓軌為-3.5V到+3.5V。那么在這種供電情況下,輸入電壓超過這個(gè)范圍輸出信號將出現(xiàn)失真。
輸出電壓范圍(Output VoltageRange)
在給定供電電壓與特定負(fù)載的情況下,輸出電壓的最大范圍。
圖3 LTC2063 輸出電壓范圍
在芯片的datasheet中描述輸出電壓范圍的參數(shù)通常會使用VOL來表示接近負(fù)電源軌的電壓差,使用VOH來表示接近正電源軌的電壓差。圖3描述的是LTC2063在供電電壓為5V時(shí)當(dāng)負(fù)載為499K時(shí),典型的VOL為0.1V,VOH為0.15V。那么也就是這種情況下輸出的電壓范圍的典型值為0.1V-4.85V。
充分利用電源軌
在一些特殊的場合,如穿戴設(shè)備,由于采用鋰電池供電,并且需要考慮到尺寸等問題,因此通常其供電電壓并不高。如采用鋰電池3.7V供電,在這種情況下,為了盡可能的使信號的幅度大就需要充分利用系統(tǒng)所提供的電源軌。
在這種低壓單電源供電的情況下,希望放大器能夠正常處理接近電源軌的輸入信號,因此就需要輸入軌到軌(Rail to RailInput)放大器。這種放大器的輸入范圍允許接近電源軌,當(dāng)然通常只能是接近并不能達(dá)到電源軌。也存在一些特例,有的放大器允許輸入的電壓的范圍超過電源軌,這類放大器通常是由于內(nèi)部做了電荷泵升壓。我們暫不討論這種情況。
軌到軌輸入放大器的輸入特性
由于在放大器的輸入級設(shè)計(jì)了互補(bǔ)差分輸入拓?fù)?,圖 4是ADI的LTC6261放大器的簡圖,其中Q1~Q4構(gòu)成了互補(bǔ)差分輸入對管。在其輸入級存在兩對差分對,當(dāng)放大器的輸入信號接近負(fù)的電源時(shí),輸入的P管(Q1 & Q2)導(dǎo)通同時(shí)N管(Q3 & Q4)關(guān)閉,此時(shí)是由P差分對來提供差分信號給放大器內(nèi)部的中間級。當(dāng)輸入信號接近正電壓軌時(shí),輸入差分對中的N管導(dǎo)通而P管關(guān)閉,此時(shí)是由N差分對來提供差分信號給放大器內(nèi)部的中間級。
圖4 LTC6261內(nèi)部簡圖
軌到軌輸入放大器使用注意事項(xiàng)
看起來,軌到軌輸入是一個(gè)很好的解決放大器輸入級信號范圍的方法,但是在使用這種放大器的時(shí)候需要注意到,由于輸入差分對中的P管與N管的失調(diào)電壓不同,因而會導(dǎo)致放大器的輸入失調(diào)電壓(Input OffsetVoltage)會在切換點(diǎn)發(fā)生變化。
圖5 LTC2063共模輸入電壓與輸入失調(diào)電壓的關(guān)系
圖5是ADI的LTC2063在不同供電電壓的情況下共模輸入電壓與輸入失調(diào)電壓的關(guān)系,從圖中可以看出來:在5V供電的情況下,輸入信號為4.2V左右時(shí)發(fā)生切換,此時(shí)失調(diào)電壓發(fā)生變化。在1.8V供電的情況下,輸入信號為1V左右時(shí)發(fā)生切換,輸入失調(diào)電壓發(fā)生變化。因此在設(shè)計(jì)精密放大電路時(shí)需要注意,當(dāng)輸入的信號包含了切換點(diǎn)的電壓時(shí),那么放大器的失調(diào)電壓會發(fā)生變化,因此需要判斷這個(gè)失調(diào)電壓是否足以影響到我們關(guān)心的信號精度。
這些情況不用軌到軌輸入放大器
在設(shè)計(jì)電路的時(shí)候,仔細(xì)的考慮是否真的需要使用輸入軌到軌的放大器。
1)當(dāng)設(shè)計(jì)時(shí)候如果增益不為單位增益,那么通常就不需要輸入軌到軌,因?yàn)檩敵鲂盘柺遣粫笥陔娫窜壍?,因此?dāng)放大電路存在大于1的增益時(shí),其輸入信號必定小于電源軌。
2)通常對于反向放大電路也是不需要輸入軌到軌放大器的,因?yàn)閷τ诜聪蚍糯箅娐范?,其共模輸入電壓是一個(gè)定值,并且這個(gè)電壓值等于放大器的同相端的電壓。
3)在單電源電路中我們通常會通過放大器的同相端配置一個(gè)偏置電壓,并且使得這個(gè)偏置電壓符合放大器的輸入共模范圍,因此不需要使用輸入軌到軌放大器。