運放中“軌至軌”運行真正含義是什么?

有關(guān)單電源運放的一個(gè)熱門(mén)討論話(huà)題是：它們是否能夠做軌至軌的輸入或輸出運行。單電源運放的供應商都聲稱(chēng)自己的放大器有軌至軌輸入能力，但芯片設計者必須做出某些折衷，才能實(shí)現這類(lèi)性能。

圖1 這個(gè)運放的組合輸入級采用PMOS和NMOS差分對，因此輸入電壓范圍可以從正電壓軌直到負電壓軌。

一款常見(jiàn)單電源放大器的輸入結構是有并聯(lián)的PMOS和NMOS差分輸入級，它結合了這些級的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現了真正的軌至軌輸入運行（圖1）。當VIN+接近于負電壓軌時(shí)，PMOS晶體管完全導通，而NMOS晶體管完全截止。當輸入接近于正電壓軌時(shí)，使用NMOS晶體管，而PMOS晶體管則截止。

雖然圖1中小功率精密運放OPA344的輸入級可以軌至軌輸入工作，但電路設計者必須解決性能的折衷問(wèn)題。按圖1中的設計結構，在放大器共模輸入區間內，偏移電壓會(huì )有很寬的變化范圍。在接近地的區域，輸入級PMOS偏移誤差成份占主要地位。在接近正電源軌的區域，則主要是NMOS偏移誤差。

圖2 由于放大器的共模電壓會(huì )從地改變到正電源，因此CMOS放大器的輸入級在低于3V正電源軌約2V時(shí)，從其PMOS輸入對完全改變到其N(xiāo)MOS輸入對。

查看輸入級性能的最佳方式是看偏移電壓與共模輸入電壓之間的關(guān)系（圖2）。圖2中的4.6 MHz軌至軌輸入/輸出CMOS放大器LMP7701在大約1.4V時(shí)表現出了偏移電壓誤差的交叉特性。在較低的共模輸入電壓時(shí)，PMOS晶體管運行，而NMOS晶體管關(guān)斷。在大約1.1V時(shí)，NMOS晶體管開(kāi)始導通。隨著(zhù)共模輸入電壓的升高，電路的NMOS部分最終接手工作，而PMOS晶體管完全關(guān)斷。從1.1V至2V區間，PMOS和NMOS晶體管都在工作。

要盡量減少這種輸入級的交叉效應，有一些電路設計技巧；具體可見(jiàn)“軌至軌輸入放大器應用解決方案”。

單電源放大器制造商還稱(chēng)自己擁有輸出端有軌至軌擺幅的器件。實(shí)際上對于這些類(lèi)型放大器，輸出端不可能完全擺到軌上，只是能夠接近而已。