運算放大器輸入與輸出電壓範圍

2020-12-05 電子發燒友

運算放大器輸入與輸出電壓範圍

李倩 發表於 2018-06-19 09:19:03

輸入與輸出電壓範圍

關於實際運算放大器的容許輸入和輸出電壓範圍，有一些實際的基本問題需要考慮。顯然，這不僅會根據具體器件而變化，還會根據電源電壓而變化。我們可以通過器件選型來優化該性能點，首先要考慮較為基礎的問題。

任何實際運算放大器輸入和輸出端的工作電壓範圍都是有限的。現代系統設計中，電源電壓在不斷下降，對運算放大器之類的模擬電路而言，3 V至5 V的總電源電壓現在已十分常見。這一數值和過去的電源系統電壓相差甚遠，當時通常為±15 V(共30 V)。

由於電壓降低，必須了解輸入和輸出電壓範圍的限制——尤其是在運算放大器選擇過程中。

輸出共模電壓範圍

下圖1大致顯示了運算放大器輸入和輸出動態範圍的限制，與兩個供電軌有關。任何運算放大器都由兩個電源電位供電，用正供電軌+VS和負供電軌–VS表示。運算放大器的輸入和輸出共模範圍根據與兩個供電軌電壓限值的接近程度來定義。

圖1：運算放大器輸入和輸出共模範圍

在輸出端，VOUT有兩個供電軌相關限制，即高電平(接近+VS)和低電平(接近–VS)。高電平時，範圍可達飽和上限VS–VSAT(HI)(最大正值)。例如，如果+VS為5 V，VSAT(HI)為100 mV，則VOUT上限(最大正值)為4.9 V。同樣，低電平時，範圍可達飽和下限–VS + VSAT(LO)。因此，如果–VS為接地(0 V)，VSAT(LO)為50 mV，則VOUT下限為50 mV。

顯然，給定運算放大器的內部設計會影響該輸出共模動態範圍，必要時，器件本身的設計應當最大程度地減小VSAT(HI)和VSAT(LO)，以便實現最大輸出動態範圍。某些類型的運算放大器就採用了這樣的設計，這些放大器通常採用單電源系統專用的設計。

輸入共模電壓範圍

在輸入端，適用於VIN的共模範圍也有兩個供電軌相關限制，即高電平(接近+VS)和低電平(接近–VS)。高電平時，範圍可達共模上限+VS – VCM(HI)(最大正值)。仍以+VS = 5 V為例，如果VCM(HI)為1 V，則VIN上限(最大共模正值)為+VS – VCM(HI)或4 V。

下圖2所示為採用假設運算放大器數據時確定VCM(HI)的方法，如上方曲線所示。該運算放大器會在低於圖中所示曲線的VCM輸入下工作。

圖2：運算放大器輸出共模範圍圖示

在實際操作中，實際運算放大器的輸入共模範圍通常規定為電壓範圍，不必以+VS或–VS為參考。例如，典型的±15 V工作雙電源運算放大器的額定共模工作範圍為±13 V。低電平時，同樣也存在共模下限。通常用–VS + VCM(LO)來表示，圖2中所示為下方VCM(LO)曲線。如果該器件也是採用±15 V電源電壓，就可以代表典型性能。以單電源為例，–VS = 0 V的情況下，如果VCM(LO)為100 mV，則共模下限為0 V + 0.1 V(即0.1 V)。本例顯示的共模下限在100 mV的–VS範圍之內，實際上更適合表示具有共模下限或上限(包括供電軌)的單電源器件。換言之，VCM(LO)或VCM(HI)為0 V。還有包括兩個供電軌、具有共模範圍的單電源器件。然而，單電源器件往往無法提供圖形數據(例如圖2所示的共模限值)但是會通過表格形式的額定電壓範圍來說明性能。

運算放大器差分輸入電壓範圍

在正常工作模式下，運算放大器連接至反饋環路，因此，差分輸入電壓保持在0 V(忽略失調電壓)。但在某些情況下(例如上電)，運算放大器可能會受到不等於0的差分輸入電壓影響。某些輸入結構需要限制差分輸入電壓來防止其受損。這些運算放大器的輸入通常還具有內部背靠背二極體，放大器的簡化原理圖中不一定會顯示這些，但是會顯示±700 mV(最大值)的差分輸入電壓規格。此外，圖中還顯示最大輸入差分電流規格。有些放大器內置限流電阻，但這些電阻會提高噪聲，因此在低噪聲運算放大器中不予使用。

輸出電流與輸出短路電流

大多數通用運算放大器都有輸出級，提供對地或對任一電源的短路保護。這通常稱為無限短路保護，因為放大器可以無限地將該電流值輸入短路電路。應由運算放大器提供的輸出電流即為此時的輸出電流。通常要設定限制，使運算放大器能夠為通用運算放大器提供10 mA輸出電流。如果運算放大器必須同時具備高精度和大輸出電流，建議使用獨立輸出級(反饋環路內)，將精密運算放大器的自發熱降至最低。該附加放大器通常稱為緩衝器，因為其電壓增益通常為1。有一些運算放大器能夠提供大輸出電流。例如AD8534，這是一種四通道器件，四個部分的輸出電流均為250 mA。注意，如果同時從四個部分輸出250 mA電流，就會超過封裝功耗規格，放大器會過熱，並且可能會損壞。對低功耗的較小封裝而言，這一問題更加嚴重。

高速運算放大器的輸出電流通常不會限制在較低值，因為會影響其壓擺率和驅動低阻抗的能力。大多數高速運算放大器的源電流和吸電流都在50至100 mA之間，但也有一些限制在30 mA以下。即使是具有短路保護的高速運算放大器，溫度也可能會超過結溫(由於短路電流較高)，從而導致器件由於長時間短路而受損。

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