一文讀懂運算放大器的輸入共模范圍

根據實際的應用我們會選擇一個運算放大器（op amp），選型過程中工程師會考慮一些參數可例如：電源電壓、增益帶寬積、輸入共模范圍、轉換速率和輸入噪聲電壓等等。在實際項目中工程師可能都碰到過運算放大器工作異常的情況。好的一方面是運算放大器輸出通常會說明情況。很多時候， 如果情況并不“那么好”，其會在輸出引腳以一種明顯的方式表現出來（ 批注：輸出波形相比較于輸入出現了失真）。非理想輸出波形可由輸出級的諸多限制因素引起。我們可能會觀測到輸出端過多電容引起的振蕩。否則，在達到全軌電壓之前可能會出現削波，因為輸出級被限制在低于電源軌電壓的電壓擺動。運算放大器輸出端出現與輸出級無關的異常行為也是可能的。有時， 非理想輸出信號可能會產生自器件輸入端異常。最常見的運算放大器問題是超出器件輸入共模范圍。但是，“輸入共模范圍”到底是什么，而超出這一范圍又會產生什么影響呢？一、輸入共模電壓定義談及運算放大器輸入時，輸入共模電壓（VICM）是工程師首先會想到的一個術語，但其可能會帶來一定的初始混淆。VICM描述了一個特殊的電壓電平，其被定義為反相和非反相輸入引腳（圖1）的平均電壓。圖 1 運算放大器的輸入共模電壓它常常被表示為：VICM = [VIN (+) + VIN (–)]/2.思考VICM的另一種方法是，它是非反相和反相輸入即VIN (+)和VIN (–)常見的電壓電平。事實證明，在大多數應用中，VIN (+)都非常接近于VIN (–)，因為閉環負反饋使一個輸入引腳緊跟另一個， 這樣VIN (+)和VIN (–)之間的差便接近于零（批注：此處就相當于學習理想運放是的兩個輸入是“虛短”在一起，兩個電壓是一樣的，但是實際運放是會存在略微的偏差）。對許多常見電路而言確是這樣一種情況，其包括電壓跟隨器、反相和非反相配置。在這些情況下，我們常常假設VIN (+) = VIN (–) = VICM，因為這些電壓大約相等。二、輸入共模范圍定義用于描述運算放大器輸入的另一個術語是“輸入共模范圍”（VICMR），或者更準確的說是“ 輸入共模電壓范圍”。它是許多產品說明書中經常用到的一個參數，同時也是廣大電路設計人員最為關心的一個參數。 VICMR定義了運算放大器器件正確運行所需的共模輸入電壓“范圍”，并描述了輸入與每個電源軌的接近程度。思考VICMR的另一種方法是：它描述了由VICMR_MIN和VICMR_MAX定義的一個范圍。如圖2所示，對VICMR的描述如下：圖 2 運算放大器的輸入共模電壓范圍VICMR =VICMR_MAX – VICMR_MIN其中:VICMR_MIN = 相對于VCC –電源軌限制VICMR_MAX = 相對于VCC+電源軌限制超出VICMR時，便無法保證運算放大器的正常線性運行。因此，保證完全了解輸入信號的整個范圍并確保不超出VICMR至關重要。產生混淆的另一個方面可能會是：VICM和VICMR并非標準化縮略語 ，而各個IC供應商的各種產品說明書通常使用不同的術語，例如：VCM, VIC, VCMR等。結果，我們必需要了解您研究的規范超過了某個特殊輸入電壓—一個“輸入電壓范圍”。VICMR因運算放大器而各異運算放大器的輸入級由設計規范和所用運算放大器工藝技術類型規定。例如，CMOS運算放大器的輸入級便與雙極型運算放大器不同，其區別于JFET運算放大器等。運算放大器輸入級和工藝技術的具體情況不在本文討論范圍內，但注意到這些差異存在于各種運算放大器器件之間也很重要。三、實例表1列舉了幾個德州儀器（TI）運算放大器的例子及其VICMR。“最大電源范圍”欄描述了雙電源和單電源（括號內）限制。 由該表，我們清楚地知道各運算放大器的輸入范圍VICMR明顯不同。根據器件的具體類型，VICMR可能會低于或者超出電源軌（請注意：Technology有不同）。因此，絕不要假設運算放大器可以接收特殊輸入信號范圍，除非在產品說明書規范中得到核實。表 1 幾種不同運算放大器的VICMR舉例值得一提的一種 寬輸入范圍特例是“軌到軌輸入運算放大器”。盡管，顧名思義， 它是一種輸入涵蓋整個電源軌范圍的運算放大器，但并非所有軌到軌輸入器件都如許多人設想的那樣涵蓋整個電源范圍。許多軌到軌輸入運算放大器的確涵蓋了整個電源范圍（例如：表1中的OPA333等）， 但有一些則沒有全覆蓋（例如下圖TI的軌到軌運放OPA4197）， 而其描述對人具有一定的誤導性，它并不是0~VCC。所以，檢查產品說明書中的規定輸入范圍至關重要。3.1 VICMR違規舉例-交流分析VICMR違規常見于單電源運算放大器應用中，這些應用的負軌通常為接地電壓即0V，而正軌為正電壓，例如：3.3V、5V或者更高。在這些應用中，輸入信號范圍一般不是非常寬，同時必須較好地理解輸入信號和VICMR，以確保正確的運算放大器運行結果。如果違反VICMR，非理想輸出行為可導致如低于預期電壓電平的信號削波、輸出信號電壓變化、反相，或者輸出過早地達到某個電源軌電壓。為了更好地理解超出VICMR帶來的影響， 我們列舉出了一些此類違規的例子。我們選擇兩個不同VICMR規范的運算放大器，以說明這些影響。我們之所以選擇這些器件，是因為它們具有軌到軌輸出，可排除輸出級帶來的一些限制。 圖3所示單電源電壓跟隨器電路（請注意：后續兩個交流分析的實測波形都是基于此電路），用于獲取兩個器件的波形。所有數據均在25°C室溫下的實驗臺獲取。圖 3 用于評估VICMR的單電源電壓跟隨器電路3.1.1 實例1作為第一個例子，我們選擇一個TLC2272運算放大器，并通過VCC = 10V為其供電。產品說明書將其典型VICMR范圍描述為25°C條件下5V電源電壓的–0.3 to 4.2V范圍。注意正電源軌附近的輸入限制，即VCC以下0.8V （或者VCC –0.8V)。本例中，我們使用了VCC = 10V，并且所得接近VCC輸入限制估計為-0.3~9.2V。為了測試該電路，我們將 VCC/2= 5V DC偏移的300 Hz正弦波應用于輸入端。在VOUT出現變化以前， 一直對AC幅值進行調節。如圖4所示，當應用10 Vp-p輸入時，VOUT在 正軌附近出現一個經削波的信號，而非負軌附近。如果輸入超出VCC – 0.8V（本例中為9.2V），這種正軌附近出現的非理想行為是我們能夠預計到的。9.2V以下VIN電平和低至0V時，VOUT顯示出正確的波形，正如我們所預期的那樣。圖 4 VIN (Ch1)超出9.2V時TLC2272的VOUT顯示削波3.1.2 實例2第二個例子中，我們在圖3電壓跟隨器電路中使用一個TL971軌到軌輸出運算放大器，但其結果不同。這里，我們通過一個 5V單電源為運算放大器供電，這樣便得到VCC = 5V。由產品說明書規范可知， 保證VICMR范圍為1.15V到3.85V，即中間VCC/2大概為2.7 Vp-p（3.85-1.15V）。將一個1-kHz 正弦波應用于2.5V的DC偏移。在觀測到VOUT出現變化以前，不斷將VIN幅值從200mVp-p調節到更大級別。VIN位于范圍中間即VCC/2 = 2.5V時，VOUT線性表現正常時VIN增加至2.7 Vp-p。隨著VIN增加至約 3.5 Vp-p（中間為2.5V），VOUT繼續跟隨VIN，并表現出正確的運算放大器行為。注意，該線性行為好于我們根據產品說明書限制做出的VICMR預計，但其仍然超出了保證限制。VIN稍稍增加至3.52 Vp-p，VOUT便開始在正（5V）和負（0V）軌附近呈現非線性行為（圖5）。 VIN進一步增加至4.2 Vp-p，明顯超出VICMR。由于輸入峰值在正軌附近超出限制，因此其上跳至正軌（5V），并在VIN返回到某個可接受范圍以前一直保持在該狀態，最終VOUT信號出軌（圖6）。隨著輸入降至負軌附近限制以下，VOUT信號表現出倒相，同時其跳至中軌（2.5V），并在VIN增加到VICMR范圍內某個可接受電壓水平以前，一直通過偏壓來跟隨VIN。圖 5 VIN = 3.52 Vp-p時TL971非線性輸出行為開始端圖 6 VIN = 4.2 Vp-p時TL971非線性輸出行為這些例子表明， 超出VICMR時不同類型的運算放大器可產生不同的非線性行為。盡管在第二個例子中產生了倒相，但我們需要注意的是，違反VICMR時并非“所有”運算放大器都會出現倒相—它的產生只取決于具體的運算放大器。3.2 VICMR違規舉例- DC分析在前面所述例子中，我們利用一個AC信號來評估運算放大器電路的VICMR。另一種有用的測試方法是，將一個DC電壓源作用于圖3中電路的輸入。 DC輸入變化時，輸出電平也以類似方式變化，只是它不會隨時間的推移而持續變化。根據電路的不同類型，在早期的運算放大器評估過程中，AC或DC分析（或者兩種分析一起使用）可能會有所幫助。四、克服VICMR問題在設計過程的后期，如果您發現您無法滿足運算放大器的VICMR要求怎么辦呢？可能其他一些參數會是您應用的理想選擇，而要修改器件是一件十分困難的事情。一個或多個下列選項或許可以作為一種 備選解決方案：(a) 如果輸入幅值過大，請使用一個電阻分壓器來讓信號維持在正確的VICMR范圍內。(b) 如果輸入信號偏移存在問題，請嘗試使用一個輸入偏置或者DC偏移電路，以讓輸入信號保持在規定的運算放大器VICMR范圍內。(c) 將器件改為軌到軌輸入運算放大器，以滿足所有其他要求。

[一圖看懂]很好理解的三極管和MOS管基礎知識！