?了解操作電流中的輸出信號擺幅

了解運算放大器輸出電壓范圍的特性和限制。

運算放大器，或“運算放大器”，是大量模擬設計的基礎。正如我們在上一篇文章中了解到的那樣，所有實際的運算放大器都對輸入信號的允許電壓范圍（輸入信號擺幅）和輸出信號的可用電壓范圍（輸出信號擺幅）進行了限制。之前，我們討論了輸入擺幅規格，包括如何解釋它們以及如果超出它們會發生什么。在本文中，我們將關注輸出電壓范圍。

輸出電壓規格表示輸出信號達到其飽和極限的點，這意味著電壓不能更接近電源軌。然后，信號被稱為“削波”。信號削波的示例如圖1所示，圖1描述了當由2.5伏和–2.5伏供電時LT1880運算放大器的模擬輸出飽和度。

運算放大器輸出飽和產生削波信號。

?圖1。運算放大器輸出飽和度產生一個削波信號。圖片由提供

飽和導致輸入波形和輸出波形之間完全失去對應關系。然而，即使在達到飽和點之前，輸出振蕩性能也會降低。當輸出信號接近數據表中規定的極限時，要求非常低失真的應用可能會受到細微非線性的負面影響。如果不能使用模擬或實驗室測試來驗證失真性能是否可接受，那么假設輸出信號需要與飽和度極限保持幾百毫伏的距離是一個好主意。

與輸入電壓范圍一樣，輸出電壓范圍取決于運算放大器的電源電壓，并與較高電壓（V+）和較低電壓（V-）的電源軌相關。在下一部分中，我們將仔細研究這些規范。

閱讀數據表

表1給出了模擬設備LT1880的輸出擺幅規格，與我們上面模擬的性能相同。Analog Devices將這種運算放大器描述為提供軌對軌輸出擺幅。

?表1。LT的輸出振蕩。數據由Analog Devices提供

模擬設備LT1880運算放大器的輸出信號擺幅規格。

閱讀本表時，請牢記以下內容：

VOL值表示相對于V型供電軌的擺幅（0V）。VOH同樣與V+相關。

“典型”和“最大”欄不描述典型和最大輸出電壓，而是描述輸出電壓偏差。

僅給出偏差量，不給出方向。

以下兩個方程式分別表示規定輸出電壓范圍的上限和下限：

這些方程式提醒我們，制造商使用“軌對軌”這一術語時有點過于寬松。即使在沒有負載電流的情況下，輸出也不能一直振蕩到任何一個電壓軌，并且隨著輸出電流的增加，間隙大幅擴大。在本文的后面，我們將詳細討論輸出電流對可用輸出擺幅的影響。現在，讓我們來看數據表的不同部分。

輸出擺幅圖

在描述輸出擺幅限制時，數據表規格表僅使用少數負載電流條件實例。通過檢查數據表中的性能圖，我們可以更完整地了解運算放大器的輸出振蕩能力。

這些信息的準確報告方式在裝置之間有所不同。例如，圖2和圖3分別描繪了來自模擬設備的兩個不同運算放大器LT1224和LT6023的輸出擺幅特性。

LT1224的輸出電壓擺幅與負載電阻。

?圖2。LT1224的輸出電壓擺幅與負載電阻。圖像由Analog Devices提供

LT6023的輸出飽和電壓與負載電流。

?圖3。LT6023的輸出飽和電壓與負載電流。圖像由Analog Devices提供

LT1224的數據表報告了相對于負載電阻的峰-峰值電壓振蕩。相反，LT6023的數據表報告了“飽和電壓”，這似乎是飽和極限和電源電壓之間的差異，代替了電壓振蕩。它也使用電流而不是電阻作為自變量。

圖4取自得克薩斯儀器公司OPA277數據表，使用不同的視覺格式繪制電壓擺幅與電流的關系。我個人認為它清晰簡潔。

OPA277的輸出電壓振蕩與輸出電流。

?圖4。OPA277的輸出電壓振蕩與輸出電流。圖片由Texas Instruments提供

輸出擺幅與負載電流

正如我們在數據表摘錄中所研究的那樣，輸出波形可用的電壓范圍并不是一個在所有操作條件下都有效的單一規范。相反，它受到運算放大器產生或下沉的電流量的顯著影響。隨著更多的電流流過輸出端子，連接在運算放大器的功率節點及其輸出節點之間的半導體組件上的電壓降得更多。

負載阻抗和輸出范圍之間的關系根據用于輸出級的半導體技術而不同。例如，圖5顯示了用于TL08x集成電路中的運算放大器的簡化示意圖。輸入級采用場晶體管；。

TL08x集成電路內部使用的運算放大器的簡化示意圖。

?圖5。TL運算的簡化示意圖。圖片由Tony R.Kuphalt提供

雙極輸出級通常需要至少200 mV的雙極結型晶體管的近似飽和電壓——在輸出電壓和供電軌之間。CMOS輸出級可以提供低得多的漏極到源極電壓，但是其負載電流依賴性更嚴重。這是因為，NMOS或PMOS晶體管的溝道起到了電阻器的作用，隨著負載電流的增加而降低越來越多的電壓。雙極晶體管的飽和電壓不是由電阻工作模式產生的，所以它相對于輸出電流是相對穩定的。

總結

運算放大器是多功能組件，通常可以在不需要復雜模擬或通過長途跋涉的查閱數據手冊即可實現。然而，有時運算放大器的非理想行為會顯著影響性能。因此，我們需要在設計過程中研究和解決這些問題。我希望本系列能夠幫助您了解一些管理運算放大器輸入和輸出信號的要點。