Rail to Rail 轨对轨运算放大器

1、RailtoRail轨对轨运放传统的模拟集成器件，如运放、A/D、D/A等，其模拟引脚的电压范围一般都达不到电源，以运放为例，电源为+/-15V的运放，为确保性能（首先是不损坏，其次是不反相，最后是足够的共模抑制比），输入范围一般不要超过+/-10V,常温下也不要超过+/-12V；输出范围，负载10kohm时一般只有+/-11V，小负载电阻（600ohm）时只能保证+/-10V。这对器件的应用带来很多不便。rail-to-rail的器件，一般都是低压器件（+/-5V或single+5V），输入输出电压都能达到电源（输入甚至可以超过）。其原理上的秘诀便在于电流模+NPN/PNP互补输入结构。ra

2、il-to-rail器件的某些设计思想，对我们自己设计电路也可以提供一些有益的思路。现在rail-to-rail的单电源模拟器件已形成系列（如MAXIM,AD,TI等），在许多对性能（精度）要求不高的场合，我们可以考虑全部采用单+5V甚至+2.7V的模拟器件来构成我们的系统，这样模拟电路和数字电路便可以公用一个电源（不过要注意电源去耦）。而且这类器件大量采用SOT封装，有利于设计出体积功耗都很小的产品。rail-to-rail,即“轨至轨，有时也称为满摆幅，是指输出（或输入）电压范围与电源电压相等或近似相等。从输入方面来讲，其共模输入电压范围可以从负电源电压到正电源电压；从输出方面来讲，其输出

3、电压范围可以从负电源电源到正电源电压。也可以说，这是一个与供电电压密切相关的特性，对器件的输入或输出无失真动态范围有很大的影响，当V很小时（10mV-100mV）,无失真动态范围最小电压为VSS+AV,最大值为VCC-V,具有这样动态范围的运放就叫RailtoRail运放。理想状态下，器件的正常工作输入与输出电压范围可同时达到运放正负电源端的电压范围。实际上，器件很难达到真正的轨至轨。比较常见的轨至轨表现方式有，输入rail-to-rail；输入达到或超过Vee；输出比较接近rail-to-rail；在同一器件上的输入/输出实现（或接近）rail-to-rail。这里需要特别强调，输入和输出不

4、一定都能够承受rail-to-rail的电压。尽管器件被指明是轨至轨，不代表器件的输入和输出都支持轨至轨。存在运放的输出或者输入不都支持轨至轨的可能，这样的话，接近输入或者接近输出电压极限的电压可能会使运放的功能退化，所以需要仔细的参考Dasheet是否输入和输出是否都是轨至轨。可以看到，一些器件制造商在产品简介或Datasheets的中过分强调宣传这一特性，但不容回避的现实是，当器件工作在这些边界附近时，性能均会有不同程度的下降，包括，CMRR-共模抑制比；Ro-输出内阻；Avd-差模开环增益等。传统的模拟集成器件，如运放、A/D、D/A等，其模拟引脚的电压摆幅一般都达不到电源的幅值。例如，

5、以供电电源为+/-15V的运算放大器为例，为安全工作并确保性能（首先是不损坏，其次是不反相，最后是足够高的CMRR），要求运放的输入范围一般不要超过+/-10V,在常温下也不要超过+/-12V；而对于输出范围，负载RL10kohm时一般只有+/-11V，小负载电阻RLv600ohm时只能保证+/-10V。这对器件的应用带来很多不便。具备rail-to-rail特性的器件，一般都是低压器件（双电源+/-5V或单电源+5V供电），输入/输出电压都能达到电源值（有的输入甚至可以超过）。其原理上的秘诀便在于电流模+NPN/PNP互补输入结构。rail-to-rail器件的某些设计思想，对我们自己设计电

6、路也可以提供一些有益的思路。即使轨至轨器件的输入或输出电压幅度即使达到电源电压的上下限，此时放大器也不会像常规运放那样发生饱和失真或翻转。例如，在单电源+5V供电的条件下，即使输入、输出信号的幅值低到接近0V,或高至接近5V,信号也不会发生截止或饱和失真，从而大大增加了运算放大器的动态范围。这在低电源供电的电路中尤其具有实际意义。再比如，综合比较TLC2274（轨到轨）与OP07（非轨到轨）的输入输出范围，可以看到,TLC2274的动态范围可达4.8V,而OP07（及其它非轨到轨特性的运放）的动态范围仅3V左右。轨至轨输入/输出特性，扩大了动态范围，避免了补偿输入级常见的交越问题，这种设计降低

7、了失真，在整个输入电压范围内，甚至比比电源电压高100mV左右，实现了较高的共模抑制比（CMRR），因此最大限度地提高了整体性能，非常适合驱动A/D转换器，而不会造成差分线性衰减。大部分运算放大器要求双电源（正负电源）供电，只有少部分运算放大器可以在单电源供电状态下工作，如LM358（双运放）、LM324（四运放）、CA3140（单运放）等。需要说明的是，单电源供电的运算放大器不仅可以在单电源条件下工作，也可在双电源供电状态下工作。例如，LM324可以在、+5+12V单电源供电状态下工作，也可以在+5土12V双电源供电状态下工作。在一些交流信号放大电路中，也可以采用电源偏置电路，将静态直流输出

8、电压降为电源电压的一半，采用单电源工作，但输入和输出信号都需要加交流耦合电容，利用单电源供电的反相放大器如图1（a）所示，其运放输出波形如图1（b）所示。容Cl和C2的值由所需的低频响应和电路的输入阻抗（对于C1）或负载（对于C2）来确定。Cl及C2可由下式来确定：C1=1000/2nfoRI（|jF）；C2=1000/2nfoRL（|jF）,式中，fo是所要求最低输入频率。若R1、RL单位用kQ,fO用Hz,则求得的C1、C2单位为吓。一般来说，R2=R3u2RF。图2是一种单电源加法运算放大器。该电路输出电压Vo=RF（V1/Rl十V2/R2十V3/R3）,若R1=R2=R3=RF,则Vo

9、=（V1十V2十V3）。需要说明的是，采用单电源供电是要付出一定代价的。它是个甲类放大器，在无信号输入时，损耗较大。5思考题（1）图3是一种增益为10、输入阻抗为10kQ、低频响应近似为30Hz、驱动负载为1kQ的单电源反相放大器电路。该电路的不失真输入电压的峰一峰值是多少呢？（提示：一般运算放大器的典型输入、输出特性如图4所示）；（2）图5是单电源差分放大器。若输入电压为50Hz交流电压，V1=1V,V2=O.4V，它的输出电压该是多少呢？12V&A点口上肝她矢真目蛊础后开费幽利 HYPERLINK http:/blog.csd http:/blog.csd/warmshepherd/art

10、icle/details/3547649有一类特殊的放大器具有非常低的端边占用电压（headroom）要求，称之谓输出摆幅与供电电压相同（轨至轨railtorail）放大器。由于它们独特的功能可工作在它们的输人and/or输出范围的极限值。在或接近地and/or接近正端（在几个毫伏之内）。这样就显著地增大了系统的动态范围。达到几乎整个电源电压范围。传统的运算放大器输入设计或者采用NPN双结型晶体管（BJT）-该型器件具有高带宽，较低的噪声和低漂移优点，但消耗的电流较大-或者采用场效应结型晶体管（JFET）.该型器件具有非常高的输入阻抗，非常低的漏（偏置）电流和低失真优点。不幸的是,两种设计都要

11、求在双电源即+和-电源下工作并且要求在每一端有23V的端边占用电压（heallroom）以便有效地工作在它们的线性范围之内。轨至轨放大器采用一种特殊的输入结构，采用背靠背NPN和PNP输入晶体管和双折式共射共基放大电路使输入可达到每一个电源端点的几个毫伏之内。传统运放的输出级使用一个按AB类工作安排的NPN-PNP射极跟随器对.输出摆幅受到每个晶体管的Vbe,外加串联电阻上IR压降的限制。轨至轨放大器的输出从NPN-PNP对结构的集电极引出，输出摆幅仅受到晶体管Vcesat（该值可以仅为几个毫伏，这取决于集电极-发射极间的电流）、Ron和负载电流的限制。一个轨至轨放大器特性好到什么程度的标志是

12、它在零电压或接近电源电压时保持线性的能力。简单说就是在整改量程范围内，运放都需要保持线性。运算放大器的rail-to-rail特性rail-to-rail,即“轨至轨，有时也称为满摆幅，是指输出（或输入）电压范围与电源电压相等或近似相等。从输入方面来讲，其共模输入电压范围可以从负电源电压到正电源电压；从输出方面来讲，其输出电压范围可以从负电源电源到正电源电压。也可以说，这是一个与供电电压密切相关的特性，对器件的输入或输出无失真动态范围有很大的影响，当V很小时（10mV-100mV）,无失真动态范围最小电压为VSS+AV,最大值为VCC-V,具有这样动态范围的运放就叫RailtoRail运放。理

13、想状态下，器件的正常工作输入与输出电压范围可同时达到运放正负电源端的电压范围。实际上，器件很难达到真正的轨至轨。比较常见的轨至轨表现方式有，输入rail-to-rail；输入达到或超过Vee；输出比较接近rail-to-rail；在同一器件上的输入/输出实现（或接近）rail-to-rail。这里需要特别强调，输入和输出不一定都能够承受rail-to-rail的电压。尽管器件被指明是轨至轨，不代表器件的输入和输出都支持轨至轨。存在运放的输出或者输入不都支持轨至轨的可能，这样的话，接近输入或者接近输出电压极限的电压可能会使运放的功能退化，所以需要仔细的参考Dasheet是否输入和输出是否都是轨至

14、轨。可以看到，一些器件制造商在产品简介或Datasheets的中过分强调宣传这一特性，但不容回避的现实是，当器件工作在这些边界附近时，性能均会有不同程度的下降，包括，CMRR-共模抑制比；Ro-输出内阻；Avd-差模开环增益等。传统的模拟集成器件，如运放、A/D、D/A等，其模拟引脚的电压摆幅一般都达不到电源的幅值。例如，以供电电源为+/-15V的运算放大器为例，为安全工作并确保性能（首先是不损坏，其次是不反相，最后是足够高的CMRR），要求运放的输入范围一般不要超过+/-10V，在常温下也不要超过+/-12V；而对于输出范围，负载RL10kohm时一般只有+/-11V，小负载电阻RLv600

15、ohm时只能保证+/-10V。这对器件的应用带来很多不便。具备rail-to-rail特性的器件，一般都是低压器件（双电源+/-5V或单电源+5V供电），输入/输出电压都能达到电源值（有的输入甚至可以超过）。其原理上的秘诀便在于电流模+NPN/PNP互补输入结构。rail-to-rail器件的某些设计思想，对我们自己设计电路也可以提供一些有益的思路。即使轨至轨器件的输入或输出电压幅度即使达到电源电压的上下限，此时放大器也不会像常规运放那样发生饱和失真或翻转。例如，在单电源+5V供电的条件下，即使输入、输出信号的幅值低到接近0V,或高至接近5V，信号也不会发生截止或饱和失真，从而大大增加了运算放

16、大器的动态范围。这在低电源供电的电路中尤其具有实际意义。再比如，综合比较TLC2274（轨到轨）与OP07（非轨到轨）的输入输出范围，可以看到,TLC2274的动态范围可达4.8V,而OP07（及其它非轨到轨特性的运放）的动态范围仅3V左右。轨至轨输入/输出特性，扩大了动态范围，避免了补偿输入级常见的交越问题，这种设计降低了失真，在整个输入电压范围内，甚至比比电源电压高100mV左右，实现了较高的共模抑制比（CMRR），因此最大限度地提高了整体性能，非常适合驱动A/D转换器，而不会造成差分线性衰减。UnityGainAmplifierFigureshowsabuffercircuit.Ther

17、ail-to-railcharacteristicoftheTLV246xmakesthefulloperatingvoltagerangeof0to5Vavailableforinputandoutputsignals.Toreducedistortionbothinputresistorsareused.DAC(Digital-to-AnalogConverter)WithaRail-to-RailOutputasanAdjustableReferenceVoltageSource31FigureQ85-VDigital-to-AnalogConverterWith0to5-VVDq+5V

18、fTW2771vdigitalinput%GNIDD0-7Vdd畑、OUT1TLC7524CSOUT2WR10KQCD10kQ4Thecombinationofthedigital-to-analogconverterTLC7524andtherail-torailoperationalamplifierTLV2771showninFigure18,formsan8-bitdigital-to-analogconverterpoweredbyasingle-voltagesupplyof5V.TheTLV2771candrivea600-Qload,whichallowstheconvertertobeusedasadigitallyadjustablereferencevoltageso