应该在什么时候使用具有轨到轨输入的放大器和使用中的注意事项

1.前言

在我之前手头的一个项目，该项目需要一个单位增益运算放大器 (op-amp) 缓冲器，用于我们的薄膜沉积系统中的监控电路。插入新模块后，我发现靠近正电源的所有信号都被削波了。

我的同事说：“哦，你应该改用轨到轨运算放大器。” 这就是我第一次了解到我需要一种特殊类型的运算放大器来防止我的输入超出范围。

近年来，越来越多的运算放大器（尤其是低速精密类别的运算放大器）具有包括两个电源轨的输入共模范围 (ICMR)。这对于刚起步的设计师来说无疑是个好消息，就像我在读研究生时一样。在许多情况下，轨到轨输入/输出 (RRIO) 放大器的灵活性使其能够在同一系统中的多个位置使用，从而简化材料清单 (BOM)。但即使在最小化 BOM 并不那么重要的应用中，轨到轨输入放大器的灵活性仍然具有许多优势。

2.低压单电源系统中的单位增益缓冲器

可以实现这些优势的一种应用是低压单电源系统中的单位增益缓冲器。便携式和电池供电的电子系统在许多市场中无处不在，例如个人电子产品、能量收集以及测试和测量。这些系统中的大多数运行在 3.3V 甚至更低的电压上，这对信号链的 ICMR 造成了压力。

为了说明这个输入范围问题，我们以 OPAx836 系列 ( OPA836 / OPA2836 ) 为例。OPAx836 是一种流行的运算放大器系列，没有轨到轨输入，但非常适合便携式应用。OPA836 和 OPA2836 运算放大器以 205MHz 的带宽和 4.6nV/√Hz 的输入电压噪声实现出色的电源效率，每个通道的静态电流仅为 1mA。它们也提供小包装。这些优势使这些运算放大器能够用于便携式应用中，在这些应用中，功率和占位面积很重要，但性能也不能牺牲。OPAx836 还具有轨到轨输出 (RRO)，允许在低电源电压运行时最大化输出电压范围。然而，在输入端，ICMR 仅为 V S-OPAx836 为 -0.2V 至 V S+ -1.1V。如果放大器电路具有增益（例如 >1.5V/V，在这种情况下输入不需要填充电源范围），则 1.1V 的高边裕量不是问题。但是，对于需要最大化动态范围的便携式系统而言，在单位增益缓冲器中从 3.3V 或更低的总电源范围中取出 1.1V 可能会变得非常有限制。

3.便携式设备中的高端电池监控

轨到轨输入放大器的另一个应用是便携式设备中的高端电池监控。TI 的 THS4281 是一款高速运算放大器，可用于这些用例。它具有轨到轨输入和 90MHz 带宽，静态电流仅为 0.75mA，使设计人员能够构建快速灵活的低功耗系统。图 1 显示了使用 THS4281 的典型高端电流检测电路。轨到轨输入在这里非常方便，因为图 1 中的输入共模通常在正轨的 1V 以内，这不包括大多数没有轨到轨输入的放大器，包括 OPA836。 

图 1：使用 THS4281 的电池系统的典型高端电流检测电路

虽然轨到轨输入放大器用途广泛且用户友好，但有一个问题需要特别注意。大多数轨到轨输入放大器使用类似于图 2 所示的输入级拓扑结构。该电路结合了一个主 PNP/PMOS 级，该级从负轨以下工作到距正轨大约 1.5V 和一个“辅助”NPN/NMOS 级，它处理 ICMR 到正轨的最后一个 ~1.5V。因此，通常存在一个“切换”或“交叉”区域，主级和辅助级之间的过渡发生在该区域。

要确定该区域，请查看失调电压 (V OS ) 与输入共模电压 (V ICR ) 的关系图，如图 3 所示的 THS4281 曲线。在这种情况下，V OS在 V INCM从 V S+ -1.4V “跳”到 V S+ -1V 标志着切换发生的区域。有时在单位增益测量需要精确到 1mV 以内的精密应用中，这种 V OS跳跃是不可取的。

图 2：使用双极结型晶体管 (BJT)（左）或 MOSFET（右）的轨到轨输入放大器的一种常见输入级拓扑

图 3：THS4281的输入共模电压 (V ICR ) 与失调电压 (V OS ) 的关系图

集成电路设计人员有各种技术来降低这种交叉误差，但除非您添加内部电荷泵，否则交叉误差始终存在。在大多数情况下，这个交叉区域是令人讨厌的，而不是阻碍。例如，在图 1 中，只要 V BAT保持在 12V 以下，输入共模就应该保持在交叉区域之上。同样，在反相或跨阻放大器电路中，您仍然可以将输入共模电压设置为电源轨内的任何值，只要您注意切换区域即可。此外，由于这些运算放大器电路中的输入电压不会移动，因此切换行为不太明显。

4.结论

使用具有轨到轨输入的放大器可以提供许多好处，例如最大化信号链动态范围和简化 BOM。有一些事情需要注意，例如交叉期间的 V OS不连续性。但是，这更令人讨厌，我在上面讨论过。