軌到軌：鐵路和運算放大器的電子器件

鐵路多年來一直有軌到軌的組件，事實上，這些組件幾乎是鐵路到鐵路。運算放大器采用幾乎軌到軌的傳統(tǒng)。本應(yīng)用筆記討論了軌到軌運算放大器，并解釋了為什么某些輸入和輸出可能小于、接近或略高于電源軌。

介紹

對一些人來說，鐵路旅行讓人聯(lián)想到懷舊的形象。他們看著一個舊的火車引擎，它代表了過去時代的時間和生活方式。它暗示了一個更簡單、更慢的時間。這種形象與今天的通勤甚至航空旅行完全不同。今天的大多數(shù)商務(wù)旅行都是在奔波中完成的?？杀氖牵跈C場安檢線等待大約是我們唯一一次不跑來跑去。

軌道設(shè)備上的法蘭輪引導(dǎo)軌道上的輪子。蒸汽、柴油、電動甚至子彈頭列車每天都在軌到軌的法蘭車輪上運行。在拐角處和通過開關(guān)，法蘭引導(dǎo)重載。輪緣是否跨越軌到軌？是的，但不完全是。為了轉(zhuǎn)動，車輪需要一點間隙。需要了解車輪、車軸、軌道和熱膨脹的制造公差，才能使鐵路安全運行。

Maxim的運算放大器使用軌到軌與鐵路無關(guān)。盡管如此，鐵路還是很好地描繪了這種現(xiàn)象。正如列車的電源軌對列車的橫向移動施加了限制一樣，運算放大器電源軌也對輸入和輸出的電壓擺幅施加了限制。與鐵路一樣，對于運算放大器，“軌到軌”可能意味著“幾乎軌到軌”。正如我們將看到的，該術(shù)語對于輸入和輸出可能意味著不同的東西。它也可能不僅僅意味著鐵路到鐵路。

軌到軌和現(xiàn)代運算放大器

早期運算放大器的輸出驅(qū)動在信號接近電源軌時耗盡電流。當(dāng)信號峰對峰幾伏并且電源為正負(fù) 12V 或 15V 時，沒有問題。然而，隨著電源的減少，軌到軌信號擺幅變得非常理想。因此，電路配置隨時間而變化。軌到軌和軌外?輸入和軌到軌輸出在現(xiàn)代運算放大器上很常見。

圖2.具有六個晶體管的早期運算放大器。

第一個運算放大器使用真空管（空心狀態(tài)器件），然后使用分立晶體管，如圖2所示。這些電路導(dǎo)致了集成運算放大器。今天的集成電路非常復(fù)雜，復(fù)雜的電路使用數(shù)百個晶體管。

軌到軌輸入

用于軌到軌輸入的運算放大器輸入級使用兩對晶體管。有源器件可以是MOS（圖3）、雙極性（圖4）或CMOS。

圖3.MOS軌到軌輸入級。

與大多數(shù)工程一樣，設(shè)備之間需要權(quán)衡性能。溫度穩(wěn)定性、輸入阻抗、頻率響應(yīng)和失調(diào)電流因不同的晶體管系列而異。這意味著晶體管的選擇取決于應(yīng)用。1

圖4.雙極性運算放大器輸入級。

在圖3和圖4中，“P”輸入對將在最負(fù)電源限值附近處于活動狀態(tài)。“N”輸入對將在最正電源限值附近處于活動狀態(tài)。在工作范圍的中心，信號必須從一對轉(zhuǎn)換到另一對。在轉(zhuǎn)換時，失真將上升，輸入電流將在對之間發(fā)生變化（圖 5）。MAX4122對此進行了說明。當(dāng)軌到軌輸入放大器的共模輸入電壓從一個電源軌掃描到另一個電源軌時，輸入偏置電流在符號和幅度上都會發(fā)生變化。許多現(xiàn)代IC技術(shù)都集中在減少失真和平衡電流上。

與其他軌到軌運算放大器不同，MAX4091系列運算放大器的過渡區(qū)域已擴大至約600mV，以盡量減少這種失配引起的CMRR的輕微下降。仔細(xì)研究數(shù)據(jù)手冊對于理解這些問題非常重要。在低電壓、低電流運算放大器中，經(jīng)常會看到有關(guān)交越失真的警告，以及建議偏置敏感信號以避免交越點的情況。

圖5.MAX4122運算放大器的軌到軌輸入級偏置變化

盡管MAX4091運算放大器系列采用雙極性工藝，但輸入偏置電流通常小于20nA。由于偏置電流在NPN輸入級激活時流入器件，在PNP輸入級激活時流出，因此有必要考慮該電流的影響。為了減少流經(jīng)外部源電阻的輸入偏置電流引起的失調(diào)誤差，這些阻抗應(yīng)匹配良好。數(shù)據(jù)手冊對此進行了詳細(xì)討論。

在運算放大器數(shù)據(jù)手冊中還有另一個重要特性需要注意，其聲明類似于以下內(nèi)容：過驅(qū)動輸入沒有反相或閂鎖。兩者都是早期運算放大器的常見問題，它們在大多數(shù)電路中都會造成嚴(yán)重破壞。一些閂鎖條件甚至導(dǎo)致設(shè)備損壞。

對于MAX4091系列等典型的軌到軌運算放大器，輸入共模范圍超出正負(fù)電源軌50mV。該范圍已發(fā)展到超過MAX100系列正負(fù)電源軌的9910mV。進一步改進后，MAX4220和MAX4091系列開發(fā)了專有的超擺幅技術(shù)。后一種器件可將 200mV 擴展至正電源軌和負(fù)電源軌之外。

圖6.輸入電路，包括輸入范圍內(nèi)的接地。

圖6顯示了運算放大器的典型雙極性配置，該放大器包括共模范圍內(nèi)的接地軌。具有這種負(fù)電源軌能力的雙極性器件是MAX4493和LMX321系列。CMOS等效器件是MAX4475和MAX4036系列。

軌到軌輸出

圖7.軌到軌輸出級（a）和標(biāo)準(zhǔn)輸出級（b）。

就像幾乎軌對軌的鐵路輪緣一樣，運算放大器的輸出電路幾乎是軌對軌。有關(guān)這一點的關(guān)鍵數(shù)據(jù)手冊信息是一條聲明，說明輸出電壓擺幅在負(fù)載為“n”Ω電源的“n”mV以內(nèi)。

軌到軌輸出級（圖7a）具有共發(fā)射極配置，而標(biāo)準(zhǔn)輸出級（圖7b）具有發(fā)射極-跟隨器配置。觀察數(shù)據(jù)手冊的負(fù)載條件。人們可能期望負(fù)載接地，但負(fù)載通常連接到電源值的一半。軌到軌輸出規(guī)格始終為輕負(fù)載。隨著負(fù)載（電流）的增加，放大器在電源軌附近的擺幅降低。因此，如果在接近電源幅度（電源軌）的電壓下需要低失真大電流，則必須考慮增加電源電壓并使用傳統(tǒng)的運算放大器。另一種選擇是使用MAX4162運算放大器系列，它采用新穎的方法解決標(biāo)準(zhǔn)軌到軌輸出級的問題。這些運算放大器具有經(jīng)典的發(fā)射極-跟隨器輸出級，但通過內(nèi)部電荷泵轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)軌到軌輸出，該轉(zhuǎn)換器提供內(nèi)部電源電壓以偏置多個放大器級，包括輸出級。因此，輸入級具有標(biāo)準(zhǔn)的接地檢測配置，但允許輸入從地擺幅至V。CC2.與往常一樣，應(yīng)用決定了最佳電路配置。

總結(jié)

軌到軌運算放大器具有一系列典型輸出擺幅，適用于各種器件。MAX4091系列的典型輸出擺幅為15kΩ負(fù)載時電源電壓的100mV以內(nèi)。當(dāng)作為壓跟隨器連接時，MAX4321的輸出擺幅為0.02V至2.97V，采用+3V電源供電，負(fù)載為100kΩ接地。MAX4321的最大輸出電壓擺幅取決于負(fù)載，但即使最大負(fù)載為300Ω地，在+5V電源的250mV以內(nèi)。當(dāng)作為電壓跟隨器連接時，MAX4230保證在正電源軌的500mV以內(nèi)（VDD= 2.7V），即使最大負(fù)載為32Ω至地。MAX4240–MAX4244的輸出級可以驅(qū)動高達(dá)10kΩ的負(fù)載，擺幅仍保持在供電軌的40mV以內(nèi)。因此，應(yīng)用程序有助于定義正確的零件。

鐵路旅行是懷舊的，軌到軌法蘭輪仍然是引導(dǎo)列車。對于運算放大器，我們已經(jīng)看到輸入的“軌到軌”甚至意味著超越軌。對于輸出，就像鐵路一樣，它可能意味著幾乎是軌到軌。隨著技術(shù)的進步，運算放大器可能會繼續(xù)改進，并且由于其優(yōu)點，它們將被使用多年。

審核編輯：郭婷