TI高精度實驗室-運算放大器-第三節-輸入與輸出限制
在實際電路中有可能運放的輸出與預期很不一樣，例如下圖所示，輸出端出現了削波（Clipped）的現象。因爲這個點庫的輸出不會超過1V。
下面是運放的共模電壓的定義：
下圖顯示的是一個典型的 CMOS 輸入極 隨着共模輸入信號接近正電源或者負電源 輸入晶體管會相應地進入飽和或者是截止狀態 這些都是非線性工作的狀態 意味着此時放大器不能線性放大輸入信號 這就是引起共模輸入電壓限制的原因。一些 CMOS 放大器的共模限制可能很接近 甚至超過供電電源軌。
輸出極的電壓擺幅限制 則是由於內部晶體管的飽和和壓降引起的 CMOS 放大器的輸出電壓限制比較小 因爲 CMOS 晶體管的飽和電壓比較低。
左圖顯示的是 Inverting Configuration 反相放大電路 注意到同相輸入端接地 或者是 0V 。由運放的基本特性 我們可以得到 反相輸入端的電壓也約等於 0V 因此這個電路的共模輸入電壓即爲 0V 並且不論輸入信號如何變化 共模輸入電壓都是保持在 0V 不變的 這種輸入配置可以很好的避免共模限制。 右圖顯示的是 None Inverting Configuration 同相放大電路 輸入信號接到同相輸入端 這樣一來共模信號就會受輸入信號鉗制 換句話說 如果輸入信號變化 共模信號也會隨之變化 使用這種配置時 一定要注意避免超過運放的共模電壓限制。
這是一個運算放大器搭乘的 Buffer 緩衝器 正常情況下面我們會看到輸出是 0V 或者是一個很小的輸出誤差信號 這個信號是和輸入失調電壓 Vos 相關的 但是如果我們做 DC 仿真 會發現輸出端的電壓值接近 200mV 然而最大的失調電壓值纔是 120uV 這是怎麼回事呢 我們首先來看看輸入共模範圍 根據之前介紹的方法 同樣的我們可以計算得到共模範圍 是從 -0.1V 到 +1.5V 由於輸入端接地共模輸入信號是 0V 處於允許的共模範圍內 所以不是共模輸入電平的問題 在看看輸出電壓範圍 同樣的我們可以計算得到輸出範圍是從 0.2V 到 4.8V 由於我們的輸入信號是 0V 運放的輸出端也將跟隨到 0V 但是這已經低於輸出電壓範圍的最小值 因此這個時候輸出電壓只能達到接近 0.2V 的 一個最小值即這裏的 171mV
接下來我們來看另一個例子 注意到這個電路與之前的電路相比 有不同的供電電源 這裏是正負 2.5 伏的供電 我們先考慮輸出電壓範圍 根據數據手冊和給定的電源電壓 我們可以得到輸出範圍是 -2.3V 到 +2.3V 由於運放的輸出端會跟隨輸入端到 0V 處於允許的輸出範圍內 所以問題不是出在這裏 那麼輸入呢與之前一樣 共模輸入電壓是 0V 但是這裏要求的共模電壓範圍是從 -2.6V 到 -1V 可見輸入的共模電壓零伏已經超出了這個範圍 這就是我們看到輸出電壓變成幾百 mV 而不是 uV 的原因
第二部分
下面來看這種運放，輸入級是MOSFET輸入級，它的輸入共模範圍可以小於0V，這種運放一般可以被稱爲單電源運放。
下面這種輸入級是BJT或者JFET，它不是軌至軌的。
下面這種MOSFET互補輸入可以完成軌至軌的特性。
但是這種互補的結構將在NP交替的時候產生輸入的偏移，導致交越失真。同時在兩個區域的CMRR還不一樣。
如下圖所示，在輸入電壓4V左右產生了一些交越失真。
下面這種使用內部電荷泵技術可以達到軌至軌特性並且沒有交越失真。
但是使用內部電荷泵可能會引入噪聲。因此最好在電源引腳上設置濾波電容。
零漂技術。使用了前文的互補MOS，所以會有一些交越失真，但是通過了校正來減少偏移。
第三部分 輸出級
下圖是經典的雙極型輸出結構。一般使用在老舊器件中。此經典輸出級的優點是輸出增益基本不隨負載變化。但是缺點是存在飽和電壓。
如下圖所示，使用MOS可以具有較小的飽和電壓，實現軌至軌輸出。
下面展示的是輸出級短路保護電路：當電流較大時，R1上面壓降變大，此時Q2打開對Q1限流。此時限流值大約爲60mA。
