輸入與輸出電壓范圍

關(guān)于實(shí)際運(yùn)算放大器的容許輸入和輸出電壓范圍，有一些實(shí)際的基本問(wèn)題需要考慮。顯然，這不僅會(huì)根據(jù)具體器件而變化，還會(huì)根據(jù)電源電壓而變化。我們可以通過(guò)器件選型來(lái)優(yōu)化該性能點(diǎn)，首先要考慮較為基礎(chǔ)的問(wèn)題。

任何實(shí)際運(yùn)算放大器輸入和輸出端的工作電壓范圍都是有限的。現(xiàn)代系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，電源電壓在不斷下降，對(duì)運(yùn)算放大器之類(lèi)的模擬電路而言，3 V至5 V的總電源電壓現(xiàn)在已十分常見(jiàn)。這一數(shù)值和過(guò)去的電源系統(tǒng)電壓相差甚遠(yuǎn)，當(dāng)時(shí)通常為±15 V(共30 V)。

由于電壓降低，必須了解輸入和輸出電壓范圍的限制——尤其是在運(yùn)算放大器選擇過(guò)程中。

輸出共模電壓范圍

下圖1大致顯示了運(yùn)算放大器輸入和輸出動(dòng)態(tài)范圍的限制，與兩個(gè)供電軌有關(guān)。任何運(yùn)算放大器都由兩個(gè)電源電位供電，用正供電軌+VS和負(fù)供電軌–VS表示。運(yùn)算放大器的輸入和輸出共模范圍根據(jù)與兩個(gè)供電軌電壓限值的接近程度來(lái)定義。

圖1：運(yùn)算放大器輸入和輸出共模范圍

在輸出端，VOUT有兩個(gè)供電軌相關(guān)限制，即高電平(接近+VS)和低電平(接近–VS)。高電平時(shí)，范圍可達(dá)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(shí)，范圍可達(dá)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(yùn)算放大器的內(nèi)部設(shè)計(jì)會(huì)影響該輸出共模動(dòng)態(tài)范圍，必要時(shí)，器件本身的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)最大程度地減小VSAT(HI)和VSAT(LO)，以便實(shí)現(xiàn)最大輸出動(dòng)態(tài)范圍。某些類(lèi)型的運(yùn)算放大器就采用了這樣的設(shè)計(jì)，這些放大器通常采用單電源系統(tǒng)專(zhuān)用的設(shè)計(jì)。

輸入共模電壓范圍

在輸入端，適用于VIN的共模范圍也有兩個(gè)供電軌相關(guān)限制，即高電平(接近+VS)和低電平(接近–VS)。高電平時(shí)，范圍可達(dá)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所示為采用假設(shè)運(yùn)算放大器數(shù)據(jù)時(shí)確定VCM(HI)的方法，如上方曲線所示。該運(yùn)算放大器會(huì)在低于圖中所示曲線的VCM輸入下工作。

圖2：運(yùn)算放大器輸出共模范圍圖示

在實(shí)際操作中，實(shí)際運(yùn)算放大器的輸入共模范圍通常規(guī)定為電壓范圍，不必以+VS或–VS為參考。例如，典型的±15 V工作雙電源運(yùn)算放大器的額定共模工作范圍為±13 V。低電平時(shí)，同樣也存在共模下限。通常用–VS+ VCM(LO)來(lái)表示，圖2中所示為下方VCM(LO)曲線。如果該器件也是采用±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范圍之內(nèi)，實(shí)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(gè)供電軌、具有共模范圍的單電源器件。然而，單電源器件往往無(wú)法提供圖形數(shù)據(jù)(例如圖2所示的共模限值)但是會(huì)通過(guò)表格形式的額定電壓范圍來(lái)說(shuō)明性能。

運(yùn)算放大器差分輸入電壓范圍

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

輸出電流與輸出短路電流

大多數(shù)通用運(yùn)算放大器都有輸出級(jí)，提供對(duì)地或?qū)θ我浑娫吹亩搪繁Ｗo(hù)。這通常稱(chēng)為無(wú)限短路保護(hù)，因?yàn)榉糯笃骺梢詿o(wú)限地將該電流值輸入短路電路。應(yīng)由運(yùn)算放大器提供的輸出電流即為此時(shí)的輸出電流。通常要設(shè)定限制，使運(yùn)算放大器能夠?yàn)橥ㄓ眠\(yùn)算放大器提供10 mA輸出電流。如果運(yùn)算放大器必須同時(shí)具備高精度和大輸出電流，建議使用獨(dú)立輸出級(jí)(反饋環(huán)路內(nèi))，將精密運(yùn)算放大器的自發(fā)熱降至最低。該附加放大器通常稱(chēng)為緩沖器，因?yàn)槠潆妷涸鲆嫱ǔ?。有一些運(yùn)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(gè)部分的輸出電流均為250 mA。注意，如果同時(shí)從四個(gè)部分輸出250 mA電流，就會(huì)超過(guò)封裝功耗規(guī)格，放大器會(huì)過(guò)熱，并且可能會(huì)損壞。對(duì)低功耗的較小封裝而言，這一問(wèn)題更加嚴(yán)重。

高速運(yùn)算放大器的輸出電流通常不會(huì)限制在較低值，因?yàn)闀?huì)影響其壓擺率和驅(qū)動(dòng)低阻抗的能力。大多數(shù)高速運(yùn)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(hù)的高速運(yùn)算放大器，溫度也可能會(huì)超過(guò)結(jié)溫(由于短路電流較高)，從而導(dǎo)致器件由于長(zhǎng)時(shí)間短路而受損。