關於運算放大器的軌到軌輸入

作者 : Bruce Trump

軌到軌運算放大器十分流行,特別是在那些低電壓供電的場合。因此,你應該瞭解軌到軌運算放大器的工作原理,同時對採用軌到軌運算放大器的設計做一些權衡。

軌到軌運算放大器十分流行,特別是在那些低電壓供電的場合。因此,你應該瞭解軌到軌運算放大器的工作原理,同時對採用軌到軌運算放大器的設計做一些權衡。

圖1所示是一個典型的軌到軌輸入級,包含N通道和P通道輸入對管。其中,P通道場效應管負責接近負電源軌部分輸入電壓的導通,這個電壓可以稍微低於負電源軌(如果是單電源供電,則可以稍微低於地電位)。N通道場效應管負責接近正電源軌部分輸入電壓的導通,這個電壓可以稍微高於正電源軌。圖中沒有畫出附加電路,這些電路用來切換哪個輸入級連接到後級。在離正電源軌大約1.3V時,許多雙輸入級運算放大器會發生輸入級切換。在這個電壓下發生切換的原因是,超過這個電壓時,P通道輸入級的門極驅動電壓已經很小,不足以驅動P通道輸入對管,因此輸入級被切換到N通道輸入級。

P通道輸入級和N通道輸入級輸入失調電壓不同。如果共模輸入電壓範圍包含了輸入級電壓切換點的話,比如在增益為1的情況下,將產生輸入失調電壓的改變。一些運算放大器在出廠時經過雷射或電子校準以減少其輸入級的失調電壓。這也減少了在切換輸入級時失調電壓的改變量,但改變還是會存在。控制切換輸入級的電路是根據輸入電壓和正電源軌的相對電壓來決定何時切換,而不是根據輸入電壓和地的相對電壓來決定何時切換。這樣,對於一個3.3V供電的運算放大器,輸入級切換點就落在了一個尷尬的地方——電源中點。

雖然大多數應用都忽略這點,但是這種輸入失調電壓的改變在需要高精準度的場合下會成為一個問題。在交流運用中,它還會帶來失真。但這裡要強調的是,這種情況只會在輸入電壓範圍包含了輸入級電壓切換點的情況下才會發生。

圖2所示為另一種類型的軌到軌輸入級。內部電荷泵將電壓提升,使得P通道輸入級供電電壓超過正電源軌大約2V。採用這種設計只需要一個輸入級就可以實現從低於負電源電壓到高於正電源電壓的範圍內的無縫輸入。因為只有一個輸入級,所以不用擔心因為輸入級切換帶來的問題。

電荷泵,也許一些設計者聽到這個詞就感到毛骨悚然。「產生雜訊的就是它,難道不是嗎?」但是,目前它已經乾淨多了,不再產生那麼多雜訊。由於只需要對輸入級供電,供電電流也小了很多。周邊電容也不需要,現在都是內部整合。電荷泵產生的雜訊低於帶內雜訊,以至於在時域中很難看見。然而,那些在帶內雜訊等級水準做頻譜分析的應用中,還是可以看見一些偽影。

不是所有應用都需要軌到軌輸入。反向放大電路和增益大於一倍的電路通常就不需要軌到軌輸入,但是卻需要軌到軌輸出。你真的需要軌到軌輸入的運算放大器嗎?許多工程師乾脆直接使用軌到軌運算放大器,這樣不用擔心共模輸入的範圍,這些工程師在需要和不需要軌到軌的場合均使用相同的運算放大器。然而無論你如何選擇,瞭解關於軌到軌輸入運算放大器以及如何權衡的知識,可以更明智的選擇運算放大器。

這裡有一些運算放大器的例子:

  • OPA340 雙輸入級,校準輸入偏置,5.5MHz 軌到軌 CMOS;
  • OPA343 雙輸入級,未校準輸入偏置,5.5MHz軌到軌CMOS;
  • OPA320 輸入級電荷泵,校準輸入偏置,20MHz 軌到軌CMOS;
  • OPA322 雙輸入級,未經過校準,20MHz 軌到軌CMOS。

感謝你的閱讀,歡迎評論。

(參考原文:Rail-to-Rail Inputs—what you should know!,by Bruce Trump,EDN China編譯)

 

活動簡介

人工智慧(AI)無所不在。這一波AI浪潮正重塑並徹底改變科技產業甚至整個世界的未來。如何有效利用AI協助設計與開發?如何透過AI從設計、製造到生產創造增強的體驗?如何以AI作為轉型與變革的力量?打造綠色永續未來?AI面對的風險和影響又是什麼?

AI⁺ 技術論壇聚焦人工智慧/機器學習(AI/ML)技術,涵蓋從雲端到邊緣、從硬體到軟體、從演算法到架構的AI/ML技術相關基礎設施之設計、應用與部署,協助您全面掌握AI最新技術趨勢與創新,接軌AI生態系佈局,讓機器學習更快速、更經濟、更聰明也更有效率。

贊助廠商

加入LINE@,最新消息一手掌握!

發表評論