了解運算放大器中的輸入信號波動

本文是關(guān)于運算放大器信號波動的兩部分系列文章中的第一篇，解釋了運算放大器輸入電壓的特性和限制。

運算放大器，通常被稱為運算放大器，提供了高性能和多功能性，同時使用起來相對簡單。簡化的行為模型和基本電路拓撲對于它們的許多應(yīng)用來說都足夠準(zhǔn)確，甚至在模擬軟件或設(shè)計工具的幫助下，復(fù)雜的運算放大器架構(gòu)也可以快速有效地實現(xiàn)。

然而，工程師們也會遇到運算放大器的功能細節(jié)和非理想性在設(shè)計過程中發(fā)揮主要作用的情況。例如，信號波動——輸入或輸出信號可用的電壓范圍——是運算放大器性能的一個方面，需要仔細考慮。在本文中，我們將了解運算放大器中的輸入信號波動；下一篇文章將介紹輸出信號波動。

信號波動基礎(chǔ)

請考慮圖1中的簡化運算放大器電路圖。沒有顯示電源引腳或電源電壓，也沒有指示信號波動的限制。

一種簡化的非反相運算放大器。

圖1。一種簡化的非反相運算放大器。圖片由All About Circuits提供

在這種理想化的環(huán)境中，輸入信號和輸出信號可以擴展到任何正電壓或負電壓。盡管這一假設(shè)完全不現(xiàn)實，但由于兩個原因，它在許多應(yīng)用程序中都非常有效：

輸入和輸出信號通常很好地保持在運算放大器的電源電壓內(nèi)。

即使信號超過指定的電壓范圍，電路也可以保持令人滿意的性能。

現(xiàn)實生活中的運算放大器總是對信號波動施加限制。這些限制受到放大器的內(nèi)部電路及其電源電壓的影響。因此，在評估特定應(yīng)用中的信號波動時，您需要考慮板級設(shè)計參數(shù)和運算放大器數(shù)據(jù)表中列出的功能參數(shù)。

運算放大器的可用輸入信號擺幅將在數(shù)據(jù)表中給出，但它通常被稱為“共模輸入范圍”或“共模電壓范圍”。要理解原因，我們需要探索共模輸入電壓的概念。

共模輸入電壓

運算放大器是具有高開環(huán)增益的差分放大器。負反饋使我們能夠輕松地將運算放大器轉(zhuǎn)換為具有低或中等增益的單端放大器。當(dāng)運算放大器被配置為負反饋放大器時，兩個輸入端子處的電壓幾乎相同，即使我們認為一個輸入電壓是固定的，而另一輸入電壓是自由變化的波形。例如，考慮圖2中的圖表。

一個簡單的反相運算放大器。

圖2:一個簡單的反相運算放大器。圖片由All About Circuits提供

非反相輸入端始終處于0V。事實證明，反相輸入端也保持在非常接近0V的電壓，盡管通過電阻器連接到波動的輸入信號。這種現(xiàn)象被稱為虛擬短路。

如果將兩個電壓施加到差分放大器的輸入端子，然后取這兩個電壓的平均值，則得到放大器的共模輸入電壓。在具有負反饋的運算放大器的情況下，兩個輸入電壓幾乎相同，因此共模電壓是在任一輸入端測量的電壓。

與共模電壓的小偏差通常與信號波動的討論無關(guān)。相反，我們關(guān)注的是將共模電壓保持在可接受的范圍內(nèi)。在下一節(jié)中，我們將使用一些真實世界運算放大器的數(shù)據(jù)表來研究“可接受范圍”的含義。

輸入信號回轉(zhuǎn)技術(shù)規(guī)格

讓我們從德州儀器公司的OPA277運算放大器開始。表1顯示了數(shù)據(jù)表中記錄的可用輸入信號波動。請注意，我們將要檢查的每個數(shù)據(jù)表對此規(guī)范使用的術(shù)語略有不同——在這里，它被稱為共模電壓范圍。

表1。OPAx277的輸入信號波動規(guī)格。數(shù)據(jù)由德州儀器提供

參數(shù)最小最大單位

共模電壓范圍（VCM）V–+2 V+–2

如前所述，可用的輸入信號波動取決于電源電壓。這就是為什么極限被給出為“V–+2”和“V+–2”。這些值意味著輸入信號可以安全地降至：

比低電壓電源軌高2 V。

比高壓電源軌低2 V。

許多較新的運算放大器提供軌對軌輸入性能，這意味著輸入信號可以非常接近電源電壓。一些軌對軌運算放大器，如Analog Devices的LTC6522，其輸入范圍完全包括電源電壓軌。表2給出了該運算放大器的輸入擺幅。

表2。LTC6522的輸入信號波動規(guī)格。由Analog Devices提供的數(shù)據(jù)

參數(shù)最小最大單位

輸入共模范圍（VCMR）0 VS V

LTC6522的數(shù)據(jù)表假設(shè)電源電壓為5V和0V。即使電源電壓為3.3V和0V，軌對軌運算放大器也可以提供一個可行的輸入范圍，這使得它們在低壓設(shè)計中具有優(yōu)勢，有時是至關(guān)重要的。

不過，你必須對“鐵路到鐵路”這個詞小心一點。LT6023也來自Analog Devices，列在同一個Rail-to-Rail Op Amps產(chǎn)品子類別中，被描述為“精確的Rail-to-Rail輸出放大器”。這里的關(guān)鍵是要認識到，“Rail-to-Rail”修改的是“輸出”，而不是“放大器”。正如我們在表3中看到的，輸入級不提供Rail-to-Rail性能。

表3。LT6023的輸入信號波動規(guī)格。由Analog Devices提供的數(shù)據(jù)

參數(shù)最小最大單位

共模輸入范圍（VICM）V–+1.2 V+–1.4 V

一些運算放大器，如Analog Devices的MAX4240，甚至允許輸入電壓超出軌道。我們可以在表4中看到這些規(guī)格。

表4。MAX4240的超軌道輸入波動能力。由Analog Devices提供的數(shù)據(jù)

參數(shù)最小最大單位

輸入共模電壓范圍（VCM）V––0.2 V++0.2 V

信號波動過大的影響

不符合共模輸入范圍可能會阻止放大器提供線性輸入輸出關(guān)系，從而導(dǎo)致性能受損。此外，過度信號波動導(dǎo)致的非線性是不完全可預(yù)測的——特定運算放大器產(chǎn)生的失真量可能取決于輸入信號的頻率。當(dāng)系統(tǒng)在不同條件下運行時，在測試過程中看似無害的輸入范圍違規(guī)可能會在以后被證明是有問題的。

圖3中的模擬圖給出了輸入范圍違規(guī)導(dǎo)致的失真示例。模擬中使用的運算放大器是LT1880，它具有軌對軌輸出，但輸入范圍為VIN（最小值）=V–+1.0到VIN（最大值）=V+–1.2。我使用了V–=–2.5 V和V+=2.5 V，因此理論上我可接受的輸入擺幅應(yīng)該在–1.5 V到1.3 V之間。

由于未停留在運算放大器的輸入信號波動規(guī)格內(nèi)而導(dǎo)致的模擬失真。

圖3。與共模輸入電壓相關(guān)的模擬失真不符合運算放大器的輸入信號波動規(guī)格。圖片由Robert Keim提供

盡管非線性導(dǎo)致的失真在所有應(yīng)用中可能不是災(zāi)難性的，但最好是安全的，并確保電路始終符合輸入擺幅限制。這通?？梢栽跊]有太多困難的情況下完成——簡單地調(diào)整電源電壓或選擇軌對軌運算放大器就足以防止輸入范圍違規(guī)。

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現(xiàn)實生活中的運算放大器電路總是對輸入和輸出信號的允許電壓范圍有限制，仔細注意這些細節(jié)可能是優(yōu)化放大器的重要組成部分。到目前為止，我們只討論了輸入波動——我們將在這個由兩部分組成的系列的后半部分討論輸出信號波動。