為什么運放會產(chǎn)生交越失真？

有工程師表示遇到過，用示波器采集運放的輸出波形時，在某一輸入電壓處，原本很完美的正弦波出現(xiàn)了一點失真的情況，但不知是運放的原因還是其他外在原因。在了解工程師使用的運放類型之后，筆者得出結(jié)論：運放出現(xiàn)了輸入的交越失真現(xiàn)象。

大部分工程師可能對這個現(xiàn)象很陌生，甚至沒有聽過這個名詞。本文將會系統(tǒng)且完整地介紹運放的交越失真：它產(chǎn)生的原因、運放的基本工藝架構(gòu)對交越失真的影響，以及針對交越失真我們?nèi)绾芜M(jìn)行改善。

運放基于工藝的分類

運放基于工藝方面基本可以分為：Bipolar、JFET、CMOS三種架構(gòu)類型，也有基于以上三種類型衍生出來的BiFET和CMOS zero-drift架構(gòu)，每種架構(gòu)各有各的優(yōu)點，本章節(jié)主要是針對三種基本的架構(gòu)進(jìn)行闡述。

Bipoalr輸入架構(gòu)

圖1 ADA4806-1內(nèi)部輸入架構(gòu)

上圖（圖1）是ADA4806-1的輸入架構(gòu)，信號過來直接進(jìn)入雙極結(jié)型PNP管，這是典型的Bipolar架構(gòu)；三極管是電流控制電流型器件，驅(qū)動能力比較強(qiáng)，速度快，耐壓高，噪聲比較小。

因為輸入極只有一對PNP管，所以ADA4806-1的輸入只可以達(dá)到下軌，比如在±5V供電的情況下，輸入共模電壓-5.1V到+4V。

JFET輸入架構(gòu)

圖2 ADA4622-1內(nèi)部輸入架構(gòu)

上圖（圖2）是ADA4622-1內(nèi)部的輸入架構(gòu)，信號輸入后直接進(jìn)入一對JFET管子。FET是電壓控制電流型器件，輸入阻抗特別高，是電壓驅(qū)動型器件，基本不需要輸入電流，輸入回路比較簡單。

因為輸入極只有一對JFET管，所以ADA4622-1的輸入只可以達(dá)到下軌，比如在±5V供電的情況下，輸入共模電壓-5.2V到+4V。

CMOS輸入架構(gòu)

圖3 ADA4530-1內(nèi)部輸入架構(gòu)

上圖（圖3）是ADA4530-1內(nèi)部輸入架構(gòu)，信號輸入后直接進(jìn)入一對MOSFET管子。同樣作為電壓控制型器件，MOSFET相比JFET而言，輸入阻抗更高，因此做出的運放在失調(diào)電流以及偏置電流方面的參數(shù)更好。MOSFET對于靜電放電抵抗能力不佳，這類器件在運放電路中，前端通常需要添加上二極管（如上圖圖3黃框所示）進(jìn)行保護(hù)，MOSFET的溝道在表面，不像JFET在體內(nèi)，故JFET型輸入的運放在噪聲方面性能更優(yōu)異。

上圖（圖3）ADA4530-1輸入級只有一對MOSFET管，所以輸入只能達(dá)到下軌，在單4.5V供電的情況下，輸入電壓范圍0-3V。

以上介紹運放的三種基本架構(gòu)中，多次提到一個參數(shù)：輸入電壓范圍。這關(guān)系到運放的一個性能：軌到軌 (Rail To Rail)，包含了輸入軌到軌以及輸出軌到軌。在實際應(yīng)用中，工程師很關(guān)心輸入電壓范圍該參數(shù)。因為當(dāng)前很多強(qiáng)調(diào)低功耗的應(yīng)用，需要低電壓供電。比如：對于3.3V供電系統(tǒng)來說，如果運放輸入不能軌到軌，輸入的電壓動態(tài)范圍會被壓縮到很低。

軌到軌運放

所謂軌對軌 (Rail To Rail) 運算放大器，指的是放大器輸入和輸出電壓擺幅非常接近或幾乎等于電源電壓值。

但是上面所闡述的三種架構(gòu)都沒有真正地達(dá)到軌到軌，下文會分享兩種全新的架構(gòu)，闡述如何達(dá)到軌到軌。

Bipolar軌到軌輸入架構(gòu)

圖4 ADA4099內(nèi)部輸入架構(gòu)

CMOS軌到軌輸入架構(gòu)

圖5 ADA4505內(nèi)部輸入架構(gòu)

我們不難發(fā)現(xiàn)，與前文三種不支持軌到軌的輸入架構(gòu)相比，軌到軌輸入運放在輸入的時候額外多了一對管子，無論是三極管還是MOS管。

對于Bipolar型來說，NPN輸入對的輸入電壓范圍后，幾乎可以擴(kuò)展至正電源軌。PNP輸入對的輸入電壓范圍后，幾乎可以擴(kuò)展至負(fù)電源軌。實際上，在兩個相對的電源方向上，Bipolar型的運放很難絕對做到軌到軌，因為需要保證一定的裕量使三極管處于正向放大區(qū)。

對于FET型來說，和上面Bipolar型類似；但是FET管子的導(dǎo)通壓降很低，可以使輸入電壓范圍幾乎接近供電電壓。

運放的交越失真

從上文的闡述可以得知：為了達(dá)到軌到軌，芯片設(shè)計工程師在設(shè)計芯片時，會采用兩對極性相反的管子。在實際工作中兩對管子交替工作，當(dāng)兩對管子切換時，會出現(xiàn)失真現(xiàn)象，我們把這個現(xiàn)象稱為運放的輸入交越失真。我們通過下圖（圖6）深入地了解該現(xiàn)象：

圖6 ADA4807 Vos和輸入共模電壓關(guān)系

ADA4807是一款支持軌到軌輸入輸出的高速低噪精密運算放大器，在±5V供電的情況下，大概在4V時，我們可以看到Vos有一個階躍。這也好理解：在輸入電壓比較低的時候，使用PNP管子工作，隨著輸入電壓的增大，NPN管子開始介入，兩種管子由于本身的特性以及制造工藝的不同導(dǎo)致了這個結(jié)果。

圖7 交越失真現(xiàn)象

上圖（ 圖7）顯示了運放出現(xiàn)交越失真現(xiàn)象，在要求比較高的精密測量場合中，該交越失真現(xiàn)象是不允許的，那該如何解決這個問題？

ADI 處理交越失真問題的解決方案

方案一 調(diào)節(jié)三極管的靜態(tài)工作點

圖8 AD8027/AD8028調(diào)節(jié)靜態(tài)工作點

這種方式并不是從根本上改善了交越失真，而是通過外部的輸入電壓介入，改變?nèi)龢O管的靜態(tài)工作點，將交越失真點向輸入電壓正軌或者負(fù)軌進(jìn)行搬移，適用于輸入電壓不要求滿軌的情況。

方案二 內(nèi)置電荷泵預(yù)充電技術(shù)

圖9 AD8505內(nèi)置電荷泵消除交越失真

內(nèi)部電荷泵用一個高電壓，可以使輸入信號始終經(jīng)過一個差分對而不跳到另外一個。某種意義上，是從根本消除了交越失真。

圖10 電荷泵技術(shù)改善之前的Vos和Vcm關(guān)系

圖11 電荷泵技術(shù)改善之后的Vos和Vcm關(guān)系

方案三 零漂移 zero-drift架構(gòu)

圖12 ADA4528-1 Chopping+ACFB架構(gòu)

零漂移架構(gòu)，從另一個角度來解決交越失真問題：允許有交越失真，但是可以通過電路校正。

圖13 ADA4528-1 Vos與Vcm關(guān)系

總結(jié)

工程師在進(jìn)行芯片設(shè)計時，為了實現(xiàn)低功耗，采用了低電壓供電；為了實現(xiàn)更大的輸入電壓范圍，出現(xiàn)了軌到軌設(shè)計。再到發(fā)現(xiàn)交越失真問題并想辦法解決問題，技術(shù)結(jié)合實際，ADI運算放大器正是在這種發(fā)現(xiàn)問題與解決問題的過程中一步步發(fā)展。

通過上面的闡述，相信大家不僅明白了運放的交越失真，對運放的工藝制造以及芯片設(shè)計、設(shè)計過程中如何更好地選擇內(nèi)部器件也有了更深入的了解。

參考資料

ADI | 混合信號和數(shù)字信號處理IC | 亞德諾半導(dǎo)體 (analog.com)
賽爾吉歐·佛朗哥《基于運算放大器和模擬集成電路的電路設(shè)計》西安交通大學(xué)出版社
畢查德·拉扎維《模擬CMOS集成電路設(shè)計》西安交通大學(xué)出版社