了解運(yùn)算放大器中的輸入信號(hào)波動(dòng)

本文是關(guān)于運(yùn)算放大器信號(hào)波動(dòng)的兩部分系列文章中的第一篇，解釋了運(yùn)算放大器輸入電壓的特性和限制。

運(yùn)算放大器，通常被稱為運(yùn)算放大器，提供了高性能和多功能性，同時(shí)使用起來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)單。簡(jiǎn)化的行為模型和基本電路拓?fù)鋵?duì)于它們的許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)都足夠準(zhǔn)確，甚至在模擬軟件或設(shè)計(jì)工具的幫助下，復(fù)雜的運(yùn)算放大器架構(gòu)也可以快速有效地實(shí)現(xiàn)。

然而，工程師們也會(huì)遇到運(yùn)算放大器的功能細(xì)節(jié)和非理想性在設(shè)計(jì)過(guò)程中發(fā)揮主要作用的情況。例如，信號(hào)波動(dòng)——輸入或輸出信號(hào)可用的電壓范圍——是運(yùn)算放大器性能的一個(gè)方面，需要仔細(xì)考慮。在本文中，我們將了解運(yùn)算放大器中的輸入信號(hào)波動(dòng)；下一篇文章將介紹輸出信號(hào)波動(dòng)。

信號(hào)波動(dòng)基礎(chǔ)

請(qǐng)考慮圖1中的簡(jiǎn)化運(yùn)算放大器電路圖。沒(méi)有顯示電源引腳或電源電壓，也沒(méi)有指示信號(hào)波動(dòng)的限制。

一種簡(jiǎn)化的非反相運(yùn)算放大器。

圖1。一種簡(jiǎn)化的非反相運(yùn)算放大器。圖片由All About Circuits提供

在這種理想化的環(huán)境中，輸入信號(hào)和輸出信號(hào)可以擴(kuò)展到任何正電壓或負(fù)電壓。盡管這一假設(shè)完全不現(xiàn)實(shí)，但由于兩個(gè)原因，它在許多應(yīng)用程序中都非常有效：

輸入和輸出信號(hào)通常很好地保持在運(yùn)算放大器的電源電壓內(nèi)。

即使信號(hào)超過(guò)指定的電壓范圍，電路也可以保持令人滿意的性能。

現(xiàn)實(shí)生活中的運(yùn)算放大器總是對(duì)信號(hào)波動(dòng)施加限制。這些限制受到放大器的內(nèi)部電路及其電源電壓的影響。因此，在評(píng)估特定應(yīng)用中的信號(hào)波動(dòng)時(shí)，您需要考慮板級(jí)設(shè)計(jì)參數(shù)和運(yùn)算放大器數(shù)據(jù)表中列出的功能參數(shù)。

運(yùn)算放大器的可用輸入信號(hào)擺幅將在數(shù)據(jù)表中給出，但它通常被稱為“共模輸入范圍”或“共模電壓范圍”。要理解原因，我們需要探索共模輸入電壓的概念。

共模輸入電壓

運(yùn)算放大器是具有高開(kāi)環(huán)增益的差分放大器。負(fù)反饋使我們能夠輕松地將運(yùn)算放大器轉(zhuǎn)換為具有低或中等增益的單端放大器。當(dāng)運(yùn)算放大器被配置為負(fù)反饋放大器時(shí)，兩個(gè)輸入端子處的電壓幾乎相同，即使我們認(rèn)為一個(gè)輸入電壓是固定的，而另一輸入電壓是自由變化的波形。例如，考慮圖2中的圖表。

一個(gè)簡(jiǎn)單的反相運(yùn)算放大器。

圖2:一個(gè)簡(jiǎn)單的反相運(yùn)算放大器。圖片由All About Circuits提供

非反相輸入端始終處于0V。事實(shí)證明，反相輸入端也保持在非常接近0V的電壓，盡管通過(guò)電阻器連接到波動(dòng)的輸入信號(hào)。這種現(xiàn)象被稱為虛擬短路。

如果將兩個(gè)電壓施加到差分放大器的輸入端子，然后取這兩個(gè)電壓的平均值，則得到放大器的共模輸入電壓。在具有負(fù)反饋的運(yùn)算放大器的情況下，兩個(gè)輸入電壓幾乎相同，因此共模電壓是在任一輸入端測(cè)量的電壓。

與共模電壓的小偏差通常與信號(hào)波動(dòng)的討論無(wú)關(guān)。相反，我們關(guān)注的是將共模電壓保持在可接受的范圍內(nèi)。在下一節(jié)中，我們將使用一些真實(shí)世界運(yùn)算放大器的數(shù)據(jù)表來(lái)研究“可接受范圍”的含義。

輸入信號(hào)回轉(zhuǎn)技術(shù)規(guī)格

讓我們從德州儀器公司的OPA277運(yùn)算放大器開(kāi)始。表1顯示了數(shù)據(jù)表中記錄的可用輸入信號(hào)波動(dòng)。請(qǐng)注意，我們將要檢查的每個(gè)數(shù)據(jù)表對(duì)此規(guī)范使用的術(shù)語(yǔ)略有不同——在這里，它被稱為共模電壓范圍。

表1。OPAx277的輸入信號(hào)波動(dòng)規(guī)格。數(shù)據(jù)由德州儀器提供

參數(shù)最小最大單位

共模電壓范圍（VCM）V–+2 V+–2

如前所述，可用的輸入信號(hào)波動(dòng)取決于電源電壓。這就是為什么極限被給出為“V–+2”和“V+–2”。這些值意味著輸入信號(hào)可以安全地降至：

比低電壓電源軌高2 V。

比高壓電源軌低2 V。

許多較新的運(yùn)算放大器提供軌對(duì)軌輸入性能，這意味著輸入信號(hào)可以非常接近電源電壓。一些軌對(duì)軌運(yùn)算放大器，如Analog Devices的LTC6522，其輸入范圍完全包括電源電壓軌。表2給出了該運(yùn)算放大器的輸入擺幅。

表2。LTC6522的輸入信號(hào)波動(dòng)規(guī)格。由Analog Devices提供的數(shù)據(jù)

參數(shù)最小最大單位

輸入共模范圍（VCMR）0 VS V

LTC6522的數(shù)據(jù)表假設(shè)電源電壓為5V和0V。即使電源電壓為3.3V和0V，軌對(duì)軌運(yùn)算放大器也可以提供一個(gè)可行的輸入范圍，這使得它們?cè)诘蛪涸O(shè)計(jì)中具有優(yōu)勢(shì)，有時(shí)是至關(guān)重要的。

不過(guò)，你必須對(duì)“鐵路到鐵路”這個(gè)詞小心一點(diǎn)。LT6023也來(lái)自Analog Devices，列在同一個(gè)Rail-to-Rail Op Amps產(chǎn)品子類別中，被描述為“精確的Rail-to-Rail輸出放大器”。這里的關(guān)鍵是要認(rèn)識(shí)到，“Rail-to-Rail”修改的是“輸出”，而不是“放大器”。正如我們?cè)诒?中看到的，輸入級(jí)不提供Rail-to-Rail性能。

表3。LT6023的輸入信號(hào)波動(dòng)規(guī)格。由Analog Devices提供的數(shù)據(jù)

參數(shù)最小最大單位

共模輸入范圍（VICM）V–+1.2 V+–1.4 V

一些運(yùn)算放大器，如Analog Devices的MAX4240，甚至允許輸入電壓超出軌道。我們可以在表4中看到這些規(guī)格。

表4。MAX4240的超軌道輸入波動(dòng)能力。由Analog Devices提供的數(shù)據(jù)

參數(shù)最小最大單位

輸入共模電壓范圍（VCM）V––0.2 V++0.2 V

信號(hào)波動(dòng)過(guò)大的影響

不符合共模輸入范圍可能會(huì)阻止放大器提供線性輸入輸出關(guān)系，從而導(dǎo)致性能受損。此外，過(guò)度信號(hào)波動(dòng)導(dǎo)致的非線性是不完全可預(yù)測(cè)的——特定運(yùn)算放大器產(chǎn)生的失真量可能取決于輸入信號(hào)的頻率。當(dāng)系統(tǒng)在不同條件下運(yùn)行時(shí)，在測(cè)試過(guò)程中看似無(wú)害的輸入范圍違規(guī)可能會(huì)在以后被證明是有問(wèn)題的。

圖3中的模擬圖給出了輸入范圍違規(guī)導(dǎo)致的失真示例。模擬中使用的運(yùn)算放大器是LT1880，它具有軌對(duì)軌輸出，但輸入范圍為VIN（最小值）=V–+1.0到VIN（最大值）=V+–1.2。我使用了V–=–2.5 V和V+=2.5 V，因此理論上我可接受的輸入擺幅應(yīng)該在–1.5 V到1.3 V之間。

由于未停留在運(yùn)算放大器的輸入信號(hào)波動(dòng)規(guī)格內(nèi)而導(dǎo)致的模擬失真。

圖3。與共模輸入電壓相關(guān)的模擬失真不符合運(yùn)算放大器的輸入信號(hào)波動(dòng)規(guī)格。圖片由Robert Keim提供

盡管非線性導(dǎo)致的失真在所有應(yīng)用中可能不是災(zāi)難性的，但最好是安全的，并確保電路始終符合輸入擺幅限制。這通?？梢栽跊](méi)有太多困難的情況下完成——簡(jiǎn)單地調(diào)整電源電壓或選擇軌對(duì)軌運(yùn)算放大器就足以防止輸入范圍違規(guī)。

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現(xiàn)實(shí)生活中的運(yùn)算放大器電路總是對(duì)輸入和輸出信號(hào)的允許電壓范圍有限制，仔細(xì)注意這些細(xì)節(jié)可能是優(yōu)化放大器的重要組成部分。到目前為止，我們只討論了輸入波動(dòng)——我們將在這個(gè)由兩部分組成的系列的后半部分討論輸出信號(hào)波動(dòng)。