合理地使用轨到轨运算放大器

低压和便携式应用需要轨到轨 I/O 运算放大器来获得动态范围和最大输出信号摆幅。这些运算放大器接受两个电源轨 200 mV 范围内的输入电压，其输出电压摆幅在电源轨 50 mV 范围内。轨到轨 I/O 运算放大器会引入独特的错误，了解这些错误有助于最大限度地减少它们并优化性能。

我们可以通过并联 npn 和 pnp 差分对输入级来获得轨到轨 I/O 运算放大器的输入共模范围。npn输入级在输入信号为正且电流流入运放时工作，而pnp输入级在反向条件下工作。当输入电压通过其范围的中心时，两个输入级都工作。随着输入信号从正向负摆动，输入偏置电流流入运放，当偏置电流在输入级抵消时变为零，然后流出运放。输入偏置电流引起的电压降随着偏置电流极性的变化而变化，我们可以看到输出电压的这种变化乘以闭环增益。在正运算放大器引线中插入一个电阻器(等于增益和反馈电阻器的并联组合)会产生一个运算放大器抑制的共模电压。通过使用 CMOS 放大器(非常小的偏置电流)最大限度地减少偏置电流的影响，使用低值电阻器来降低电压降，并放置一个电阻器(RG ||R F ) 与正极引线串联。

运算放大器的共模抑制能力来自其输入级，而并行输入级会影响共模性能。与偏置电流一样，共模抑制会随着电源轨之间的输入信号范围而变化。当从 npn 输入级转换到 pnp 输入级时，通常会出现 3 mV 的输入共模电压变化。共模电压可以是正的或负的，也可以在转换点改变极性。我们将输入共模电压误差乘以闭环增益，我们会将此误差视为输出电压中的偏移电压。

当输入信号摆幅较小且输出电压摆幅比电源电压低 1 至 3V(取决于运算放大器)时，我们不需要轨到轨 I/O 运算放大器。npn 输入级可以感测连接到正电源的电压，而 pnp 输入级可以感测连接到负电源的电压。尽管传感器连接到电源轨，但我们可以使用标准运算放大器作为传感器放大器。

轨到轨 I/O 输出级不使用正常的射极跟随器配置;相反，它使用集电极连接到输出的共发射极放大器。这种配置不需要输出电路偏置的余量，因此输出电压摆幅仅降低 2V CES。但是负载阻抗变成了输出晶体管的集电极阻抗;因此，输出级的增益约为 g=R LOAD /R EMITTER。运算放大器的增益现在取决于负载阻抗，因此环路增益取决于负载阻抗。德州仪器 (TI) 网站 上的 TLV2731 数据表，显示了 43.8 dB 的环路增益变化，负载电阻变化约为 44.4 dB。相位裕度或稳定性随着环路增益的增加而降低;因此，轨到轨 I/O 运算放大器可能在轻负载时变得不稳定。此外，增益误差与环路增益成反比，因此增益误差会随着轻负载而增加。轨到轨 I/O 放大器是便携式设计中必不可少且受欢迎的部件，在不引入额外错误的情况下，只需注意从它们获得最大性能。