運放中“軌至軌”運行真正含義是什么？

有關單電源運放的一個熱門討論話題是：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，才能實現這類性能。

圖1 這個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。

一款常見單電源放大器的輸入結構是有并聯的PMOS和NMOS差分輸入級，它結合了這些級的優點，實現了真正的軌至軌輸入運行（圖1）。當VIN+接近于負電壓軌時，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，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，從其PMOS輸入對完全改變到其NMOS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，PMOS晶體管運行，而NMOS晶體管關斷。在大約1.1V時，NMOS晶體管開始導通。隨著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“軌至軌輸入放大器應用解決方案” (www.edn.com/4400221)。

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

下次我會聊聊軌至軌放大器的輸出級，以及它實現軌至軌性能的能力。

參考文獻

1 OPA344 data sheet, Texas Instruments, www.ti.com/opa344-ca.

2 LMP7701 data sheet, Texas Instruments, www.ti.com/lmp7701-ca.