什么是 Rail-to-Rail Amplifiers
轨对轨就是输出电压的最高值与最低值是vdd与0，rail-to-rail，就像cmos反向器就是一个最简单的轨对轨电路，因为它没有输出电压损失。近几年来,单电源工作已经成为一个系统小型化、价格低廉化和便携化越来越重要的要求。便携式的系统依靠电池,整个电路耗电是一个重要而又困扰设计的问题,它甚至比价格更为突出。这样，用低电压、低电流工作的问题就更加突出，与此同时,精确性和精确度的要求又迫使IC制造者在做放大器设计时，将不得不接受种种取舍的挑战。对单电源应用，对放大器性能最直接的影响是输入和输出信号范围减小了。由于通过的是些更低的输入和输出信号,因而放大电路对内部和外部误差源变得更为敏感。精密放大器大约成本效益分析0.1mV的失调电压，较12位、10V满量程系统0.04LSB误差（源）要少。在单电源供电系统中，一个“rail-to-rail”精密放大器以1mV失调电压，对一个5V FS系统就意味着0.8LSB的误差，对2.5V FS系统则意味意味着1.6LSB的误差。 此外，在单电源放大器中，因为使用更大的源电阻以减小电源电流，偏置电流流过更大的源电阻产生的失调电压可能等于或大于放大器本身的失调电压。 一些低压单电源供电的器件的增益精度也要减小，因而，器件选择也要仔细考虑。许多放大器有数百万倍开环增益的都是双电源供电的：例如OP07系列之类的。但是,许多精密应用的单电源供电/rail-to-rail放大器在轻载(> 10kohm)下的典型开环增益为25,000 和30,000 之间。选择的器件，如OPX13系列，则有高开环增益(即大于1V/μV)。
设计单电源放大器，在许多“交易”都是是可能存在的：速度与电耗，噪声与电耗，精确度与速度和电耗等等。甚至the noise floor保持常数(大就不受欢迎)，在信号大幅下降时信噪比也将下降。
除这些限制以外，许多双电源放大器的其它设计考虑都变得重要起来。例如，信噪比(SNR)由于信号摆幅的减少而降低。“地参考”已不再是一个简单的选择，如一个参考电压在一些器件上可以工作，而其它器件则不然。电源电流降低时，系统噪声又会增加，且带宽也跟着减小。对单电源、低功耗应用，在放大器的一些有限的选择面前，要达到适当的带宽和所需的精度，无疑对系统设计提出了重大的挑战。
多数电路设计师都愿意用“地面”作为参考。许多模拟电路称它们的输入和输出范围也是以地为参考的。在双电源供电的应用中，分离电源的参考(0V)非常方便，尽管在各个方向有相等的电源净空，且0V一般是电压在低阻抗地层板上。
在单电源/rail-to-rail电路中,参考地尽可以电源电压范围内任意点选择,因为没有标准可循的。选择参考地取决于被处理信号类型和放大器特性。例如, 图形用户界面选择负轨作为参考地可以优选输出被设计摇摆对0V 一操作安培的力学范围。 另一方面, 信号也许要求平实转移为了是与不被设计经营在0V 输入其它设备兼容的输入(比如ADCs) 。
早期"0输入，0输出的"单电源放大器是采用对NPN管性能经过优化的双极工艺设计的。而横向及衬底PNP的性能比NPN差很多。现在新一代的单电源/轨到轨的运算放大器需要完全互补的工艺。新的放大器在信号通路上不会使用横向或衬底PNP,但是与NPN及PNP并行协作的输入端能够使输入信号的摆幅从0到正电源电压。并且，轨到轨的输出级采用了NPN/PNP共射或是N沟/P沟共源放大器形式，而集电极发射极的饱和电压或漏-源导通电阻将决定输出信号摆幅与负载电流的关系。
在精密、低电压应用的场合，单电源放大器输入级的特性(共模抑制比、输入偏置电压以及它有温度系数、噪声) 是很重要的。Rail-to-rail输入的运算放大器必须解决小信号的问题, 不管是它们的电平位于地电平，还是位于放大器的正电源电平。在0V到电源正（VPOS）整个共模输入电压范围内具有至少60dB的共模抑制比的放大器是不错的选择。而信号远离电源电压后，再维持放大器的共模抑制是不必要的，需要的却是不为瞬间过电压所毁坏的
条件。此外，在精密应用场合，具有失调电压小于1mV并且失调电压飘逸小于2μV/℃的运放也是非常好的选择。因为当在没有比输出动态范围和SNR更重要的要求时，输入信号动态范围和SNR同等重要，所以精密单电源/rail-to-rail运算放大器应该在0.1Hz～10Hz的带宽里有小于5μVp-p的折合到输入端的噪声(RTI)。
对低电源电压应用，因 rail-to-rail的输出级驱动需要保持宽的动态范围，单电源/rail-to-rail放大器的输出电压摆幅至少应在各个电源轨100mV以内。(在正常负载下)。而输出电压的摆幅却非常依赖于输出级的拓扑结构和负载电流，但一个好的输出级电压摆幅应该在负载至10kohm定维持它额定的摆幅。它能有较小的VOL和较高的VOH就更好。象零点和满度的输出电压的系统参量，是由放大器的VOL（即零点）和的VOH（即满度）确定的。
因为多数单电源数据采集系统至少需要12～14位性能。在各种负载条件下，开环增益就要大于30,000倍的放大器，对精密应用就是非常好的选择了。
以低电压、低功耗和单电源工作为增长点，运算放大器的输入共模范围应包括两个电源轨。这一特点在一些应用中有用是无容置疑，但工程师应该认识到它的相对性，象这样的应用是很少的。应当从许多应用中区分出共模范围紧靠电源或电源的一边是需要的,但要求输入rail-rail工作则不必。
许多单电源应用中，它的输入只涉及一个电源轨(通常为“地”)。用PNP管(见图3的OP90和OPX93)或N沟道JFET(参见图1.4的AD820系列)设计的0V电压输入的放大器相对容易些。P沟道JFET则可以用于面正电源轨而不能用于负电源轨(的放大器)，如图1.4所示的OP282/OP482 。
用FET作输入级的见图1.4，当输入信号接近和超过放大器的线性输入共模电压范围时存在反偏的可能性。详细介绍详见第7节，内部放大器级饱和，迫使后级截止。根据输入级的结构，反偏将迫使输出电压向一个电源轨靠拢。对N沟道JFET输入级，反偏期间的输出电压将趋向负轨。对P沟道JFET输入级，输出电压则趋向正轨。新的FET输入放大器，如AD820系列放大器，新型的FET输入管放大器(如AD820系列放大器)，在设计上做了改善，对于额定电源电压范围之内的信号，能够防止输出电压相位反转。它们的输入级和第二增益级甚至可以提供输入信号高于正电源电压+200mV against output voltage phase reversal的保护。
如图1.5所示，真正的 rail-to-rail输入级需要两个长尾对，一个为双极型NPN体管(或N沟道FET)，另外一个为PNP管(或P沟道FET)。由于这两个差分对有不同的失调电流和偏置电流，因此加到输入共模电压变化，放大器的输入偏置电压和输入偏压电流也跟着改变。实
际上，当两个电流源(I1 和I2)依然处在整个输入共模(电压)范围，放大器输入失调电压是NPN差分对和PNP差分对的平均值。按输入共模电压的某些点，电流源的设计应转向关断，因此，信号在负电源附近，放大器输入失调电压由PNP差分对失调电压决定，而信号在正电源附近，则瓮安县国土资源局NPN差分对的失调电压控制着。
放大器的输入偏置电流，晶体管的电流放大作用，也具有加到输入共模电压的作用。结果，与熟悉比较双电源精密器件如OP07或OP97相比，相对地劣化的共模抑制(CMR)，改变整个共模输入电压范围的输入阻抗。在选择rail-rail输入级的运算放大器时，这些特性都要仔细考虑，特别是在同相配置时。在各自的共模范围内，输入失调电压、输入偏置电流甚至共模抑制CMR也许都十分的好，但在NPN元件和PNP元件间的工作交替的区域却更坏。
许多rail-to-rail放大器设计成按输入共模范围某处由一个差分对转向另一差分对的方式。象OPX91系列和OP279的器件的共模转折界限大约在正电源以下的1V。这些器件，PNP差分输入级处于有效，结果，放大器输入失调电压、输入偏置电流、CMR、输入噪声电压与电流全部由PNP差分对的特征确定。在转折边界，但是，放大器输入失调电压成为NPN/PNP差分对(失调电压的)平均值，并能可能迅速地变化。同样地，放大器偏置电流由
over most of the input common-mode range的PNP差分对控制，在NPN差分对变为有效时，改变极性 magnitude at the crossover threshold。如前所述，使用这类器件时，源阻抗levels应该是平衡的，以使输入偏置电流失调和失真减到最小。
设计这种类型的rail-to-rail输入级的好处是，输入级跨导可能在整个输入共模电压范围内都保持稳定，放大器对称地复现所有输入的信号
象OP284/OP484这样的运算放大器，运用PNP和NPN晶体管（差分）对作输入级的设计在整个输入共模电压范围是有效的，它没有共模交越门限的问题。放大器输入失调电压是NPN和PNP级的平均失调电压。放大器输入失调电压在整个输入共模电压范围内过渡，因为输入级的电阻器经过精细的激光修调。与此相仿，通过细心的输入级电流平衡和输入晶体管设计，放大器输入偏置电流，放大器在整个共模输入电压范围内也能平滑过渡。例外的是在输入共模范围的端点，这时放大器失调电压和偏置电流由于寄生PN结轻微forward-biasin而急剧增加。这种情形发生在输入电压位于任一电源轨大约1V以内。
如果整个输入共模范围里两个差分对都有效的话，amplifier transient response is faster through the middle of the common-mode range by as much as a factor of 2 for bipolar input stages and by a factor of the square root of 2 for FET input stages.输入级跨导决定
转换速率和放大器的单位增益频率，因此，响应时间会轻微地降低两端的共模输入范围，PNP级(信号电平接近“电源正VPOS”)或NPN级(信号电平接近“地GND”)的共模输入范围都会被强制切除（一部分）。跨导门限任一电源轨发生近似地1V以内的变化，其情形和输入级电流相仿。
对乍看要用完全rail-rail输入的场合，应该仔细地评估(后再作决定)，所选择的放大器，要保证它的输入失调电压、输入偏置电流、共模抑制、噪声(电压和电流)是适当的。如果输入范围只有一个电源轨就足以令人满意，那就没有必要使用完全rail-to-rail输入级放大器了。
最初的集成运算放大器的输出级是NPN电流源的NPN 放射追随器或通过电阻下拉，如图1.6所示。(这样的电路)，其正向信号的压摆率自然比负向的大。现代运算放大器有某种方式的推挽式的输出级，许多也是不对称的，并且某一方向的压摆率有比其它方向的有更大的倾向。这种比PNP晶体管更好的非对称性，一般源于所用的IC工艺，也源于这样能比其它方式更有迫近某一电源轨的能力。
许多应用中，输出只需摆向某一电源轨，而且通常是负轨杨澜体(即单电源系统的电源地)。一个下拉电阻器将允许输出迫近迫近该电源轨(所提供的负载阻抗足够高, 或负载也是接地的)，
但这样速度较慢。若使用FET电流源来代替电阻器则可能使之加速，但这又增加了复杂性。
具有PNP与NPN晶体管匹配（包括交流和直流）相对较好的IC工艺，可以使输出摆幅和压摆率都会有相应较好的匹配。然而，输出级使用BJT(双极型晶体管)就无法完全地摆动电源轨，而只能限于在晶体管饱和电压(VCESAT)的范围之内(参见图1.7)。为小负载电流(小于1004μA)，饱和电压也许低至5～10mV。但更高的负载电流，饱和电压可能增加到几百mV(例如50mA时为500mV) 。
另一方面，由CMOS FET构建的输出级则可能提供真正的rail-to-rail性能，但只限于无负载情况下。如果输出必须吸入或灌出(泵出)电流，输出摆幅就会因FET内部“导通”阻抗的压降而降低(典型为100Ω)。
总之，在选择单电源/rail-to-rail放大器时以下各点应该予以考虑:
第一，输入失调电压和输入偏置电流是加到输入端共模电压的函数（对真rail-to-rail的输入型的运算放大器)。放大器这一级电路要设计成引起的误差最小（化）。反相放大器在同相输入端进行虚地的配置，可防止这些由共模电压引入的误差恒定。如果不能使用反相放大器配置，那么，就要采用象OP284/OP484 这样do not exhibit any common-mode crossov
er thresholds的放大器。
第二，因为输入偏置电流不一定都小, 且可能体现不同的极性，而且源阻抗水平应该仔细地进行匹配，以将输入偏置电流引起额外失调电压和增加的畸变减到最小。再者，所用的放大器也要考虑在加到输入端的整个共模电压2012江苏数学(范围内)输入偏置电流转换保持平滑。
政党文化第三，rail-to-rail放大器输出级的负载-增益效应，放大器开环增益，闭环增益精度。放大器的开环增益大于30,000的负载阻抗小于10kΩ，在精密应用中是一个好的选择。对于不要求完全rail-rail摆幅的应用，象OPX13和OPX93系列器件可提供0.2V/μV或更多的直流增益。
第四，no matter what claims are made, rail-to-rail输出电压摆幅是放大器的输出级器件和负载电流的函数。饱和电压(VCESAT)，饱和抵抗(RSAT)和负载电流全都影响着放大器输出电压的摆幅。
对上述包括诸如轨－对－轨精度等考虑也适用于其他电路中，例如对仪表放大器的考虑中。在后续章节中将涉及到仪表放大器。
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