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Rail-to-Rail(轨对轨)运算放大器的应用摘要这篇应用报告帮助设计工程师理解Rail-to-Rail（满幅）运放的功能和优点。给出了简化的电路图，功能函数，和输入输出中的特征。也论述了满幅运放的典型应用电路图。内容索引简介。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。2低压单电源下的动态范围和信噪比――――――――――――――――――――――――――2输出部分————————————————————————————————————2轨对轨输出部分的结构————————————————————————————3负载对信号的影响——————————————————————————————4转换速率——————————————————————————————————5输出部分概要————————————————————————————————5输入部分————————————————————————————————————6标准输入部分的结构—————————————————————————————6轨对轨输入部分的结构————————————————————————————7输入部分概要————————————————————————————————9使用轨对轨特征的电路——————————————————————————————9一倍增益放大器———————————————————————————————9供给电流的测量———————————————————————————————9带轨对轨输出的差分运放———————————————————————————10高达600KHz的5-VPP方波振荡器———————————————————————10以满幅输出作可调电压基准源的D/A——————————————————————11小结——————————————————————————————————————11参考书――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――11图形目录1Rail-to-Rail输出演示2TLC227x的输出部分3输出的驱动能力4TLV246x差分运放的负载要求5TLV2462带100接地负载的输出信号TLV2462带100接负接Vdd/2的输出信号反相器从同相放大器改变到缓冲器9差分运放10轨对轨输入结构11输入偏置电流12输入失调电压13最小化瞬时失真14单倍增溢放大器15电流――电压转换器16带双运放的仪表放大器175Vpp，100KHz方波振荡器180～5V输出的5VD/A简介使用单5V或尽可能更低的工作电压在电子设备中越来越广泛。便携系统的电源能够低到用一个电池（1.5V）供电。降低的供给电压的设计必须在电源持续期间能提供可用的动态范围。使信号放大到从负压到正压的整个供给电压范围内，这样的运放被称为轨对轨运放。可用范围是一个很重要的数值，因为它影响别的参数，例如，噪声系数，信噪比（SNR）和动态范围。信号源常被连接到供给电压的正端或负端。用一个器件来匹配两个信号源需要运放有轨对轨的输入性能。这份说明解释了满幅运放的功能和用法。单电源，低压系统的动态范围和信噪比（SNR）简化工作电压从±15V分离供压到单5V供压，要注意的是减小了最大的可用动态范围。输出端的动态范围决定于输出电压的最大值和最小值的比值。一个工业标准的的运放，如TLC271指定单5V供电，最大3.8V的输出摆幅，这就意味着整个供电电压范围不能用于输出摆幅，以至于进一步减小最大的动态范围和信噪比（SNR）。一个轨对轨运放，如TLV24xx系列，在有信号状态下输入输出端能使用整个供电电压范围。运放干扰级别不受供电电压的影响，这使有用信号和噪声信号的差异减小。如果运放用于交流信号，从直流中退偶信号，那么噪声形成就成为主要的干扰信号。对于一个标准的运放，如TLC271C，在单5V，带宽为1M时输入的噪声电压Vn=68nV，低的输出范围允许最大3.8V的信号.，那么单倍增溢的信噪比（SNR）是95.4dB＝20log(4V/68uV).同样的配置，一个满幅放大器，例如TLV246xI，Vn=11nV,输入输出端的最大信号是5V，在带宽BW=1MHz时的信噪比（SNR）是113dB＝20log(5V/11uV).在精密系统中，运放必须准确的放大直流电压，这方面的错误来自偏置和增溢问题。在一个恒定共模电压的V系统中TLC271C的输入失调电压Vio=1.1mV,在单位增溢的配置中,它单独限制了动态范围为71dB=20log(3800/1.1),但是,在同样的电路中,偏置电压Vio=20uV,带满幅输出特性的TLV245x,有引人注意的高动态范围108dB=20log(5000/0.02).当信噪比和动态范围接近临界参数时,运放的满幅度性能更能保证达到这些参数.输出部分如果标准运放的输出摆幅不能满足系统的要求(例如A/D的输入范围),那么就必须用满幅运放.有轨对轨输出阶段的运放能在低的单电压系统中达到最大的信号输出摆幅..它们能产生达到供电电压的信号.大的输出电压摆幅将会增大动态范围.例如,图1显示了TLV2462在单5V信号输入时的输出信号.TLV2462工作在单5V电源电压下,作为一个电压跟随器,驱动1K的负载.低的1k负载会几毫伏的压降这在图中是看不出的轨对轨输出部分的结构轨对轨特性是由改变输出过程的结构来完成的.图2显示了TLC227x中轨对轨的COMS输出过程的基本结构.一互补MOS晶体管对(COMS),包含一个自锁的P沟道和N沟道,形成输出端.2个晶体管都连成共源极电路,一个共源极电路的功能就象三极管的一个共发射极电路的功能.随着电流的扩大,电压也跟着扩大.输出端晶体管的损耗电压Vds(源极-漏极电压)对电压增溢有不利的影响.当通过一个MOS管的电流增加,源极与漏极间的电阻也有微小的增加,当负载增大时,源极-漏极间电阻以及增加的电流会导致更高的损耗电压Vds(源极-漏极电压),因此,满幅度运放的全范围输出只能用于低负载.图3显示了TLV243x和TLV246x在输出能力上的这种特征.由负载引起的输出信号降低也导致了开环增益Avd的降低.因为开环增益是随连接的负载的变化而变的,在比较不同放大器的开环增益是总是应该考虑负载.图4显示了阻性负载对TLV246x放大信号的影响.负载对信号的影响当讨论负载对信号的影响的时候，要知道负载将要连接的电势，这很重要。在单电源的应用中，典型的接法是把负载连接到地（0V）。满幅输出的必要条件是有提供负载电流的能力。图5用TLV2462来说明这一点。TLV2462连成单位增益放大器来驱动一个100的负载，负载的另一端接地，因为电流流经晶体管造成的mV压降，输出只能驱动信号最大至4.4V，而最小电压达到地电压0V。在输出电压为0V时，没有电流流经负载，因此负载两端是相等的电势。没有电流，输出晶体管也就没有压降，驱动接地负载（负载驱动端的另一端接地）时，负载电流对输出信号的限制只发生在高电压期间。轨对轨输出不应该只限制于给负载提供电流，他也应该有吸收电流的能力，所有德州仪器（TI）的轨对轨输出部分都具有提供和吸收电流的能力。图6显示以TLV2462作为单增益放大器来驱动100，另一端接半电源电压Vdd/2的负载，如图6所示随着输入信号达到最大值，输出信号也扩宽了。在这个例子中，在最小和最大电压值时，最大电流流过各自的输出晶体管，因此在各自的峰值电压有300mV的压降使得输出信号限制在4.4Vpp内。转换率另一个对交流特性很重要的参数就是输出部分的转换率，转换率是衡量电压上升和跌落速度的可能有的最大值，也就是电压变化对时间的比率。为了不失真地重现一个正弦信号，使用现面地方程式：SR＝2·Fmax·Vp------------------------------------(1)方程1说明，如果输出电压因较低的电源而减小，那么需要的转换速率会和可能存在的电势成比率地减低，当比较CMOS满幅运放和标准的运放时，这一点是应该注意的。输出范围为13V的标准放大器需要转换率为82V/s来准确地重现1MHz，26Vpp地正弦波信号。单电源3V的满幅放大器只需要转换率为9.4V/s就能不失真地重现1MHz，3Vpp地正弦波信号。转换率还和负载有关，随着负载额增加而减小。输出部分概要两个满幅输出之间的品质只能在相同负载的条件下比较。输出空载时，可能每个满幅运放都能使输出信号到达电源幅值。满幅输出应该同时具备提供和吸收电流的能力，以便也用来驱动不是接地地负载。低电压供电的运放只能提供给只需要低转换率的低幅值信号。输入部分在某些应用中，运放除了要求能满幅度输出，同时也要求能满幅度输入。输入脚的信号必须在输入共模电压范围（VICR）之内以保证放大器的功能。轨对轨输入部分提出VICR，它最低限度地包含了整个输入范围。在低压系统中，TLV246x的VICR扩展超过最大动态范围的幅值200mV。满幅输入有有利点，也有不利点；它不是每个应用中都需要，而是只能在那些输入信号超出了规定的共模电压范围的地方使用。图7显示了一个连接成反相放大器的典型运放。电阻RF和RG决定该电路的增益。RC补偿输入偏置电流产生的失调误差。同相输入端连接到一基准电压Vref.共模输入电压的值保持不变，因为是反相输入，通过反馈，获得同相输入端相同的参考电压。在双电源系统中，典型接发是同相端接地。对于单电源系统，大多数是接供给电压的中点。在一个标准运放的大多数应用中，共模输入电压范围包含了上面所说的共模输入电压.如果参考电压Vref位于规定的共模输入电压范围VICR之内，那么如图7所示的电路就不需要满幅输入了。图8显示的电路是不同的，这里的反相输入也是由于反馈而跟随同相输入变化的。在这个例子中，同相输入端没有固定的电压（电压基准），而是接输入信号本身。在高增益中，输入信号很小，位于标准运放的共模输入电压范围VICR之内。如果电阻RG被去掉，就是一个单倍放大器，或叫阻抗变换器，或叫电压跟随器。该电路提供的放大倍数是1，因此输出电势就等于输出电势。如果满幅运放的整个输出范围都作用于信号，那么也会要求能满幅输入。带满幅输入和满幅输出的运放主要应用在阻抗变换器和高边感应中。标准输入部分的结构在标准的运放中，使用的是三极管工艺，如图9所示为一差分运放的输入，包含理想的对称晶体管。为达到共模输入范围的地电势，这里主要使用PNP型晶体管，同样，在CMOS工艺中使用P沟道晶体管。通过PNP管有大约0.7V的压降，通过偏置电流源大约有0.3V的压降。这就导致受限制的共模范围，常常位于电源电压正极以下至少1V。另一方面，共模输入电压范围扩展到负电源电压，或者略微超过。为了能使用整个供给电压范围，标准差分运放的结构必须被改变。满幅输入部分的结构有多种方法来构造这些输入类型，图10显示使用两种不同技术的满幅输入部份的常用结构。三极管输入部分用于TLV245x和TLV246x中，TLV247x系列中是用CMOS工艺来设计的。三极管输入部分在图10中清楚的显示出两个差分运放被同时驱动，如前面所提到的，PNP型晶体管构成的差分会运行达到最大共模电势至低于供电电压。以NPN型晶体管构成的差分运放需要至少1V的共模电压。表1.不同的共模输入电压范围单电源（VDD）的共模输入电压范围差分放大器类型最大负极输入电压最大正极输入电压共模输入电压VICRPNP0VVDD—1V0Vto（VDD—1V）NPN1VVDD1VtoVDDPNP+NPN0VVDD0VtoVDD如表1所示，在满幅输入部分有3个输入范围。在0V到大约1V的输入范围内，只有PNP型差分放大器是工作的，从大约1V到大约（VDD–1）V的范围内，两种晶体管都工作。从大约（VDD–1）V直到VDD，只有NPN型放大器工作