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放大器输入和输出电压范围轨到轨的理解误区

2021-02-26 09:00
郑荟民
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由于工艺限制放大器的输入电压范围、输出电压范围和供电电压之间存在电压差。在设计中,应确保电路在信号处理中不会因为放大器的输入、输出限制导致失真。本篇将介绍放大器输入电压范围和输出电压范围参数的使用方法与轨到轨的理解误区。

1 输入电压范围

输入电压范围(Input Voltage Range),是指放大器两个输入端引入信号的电压范围,也称作共模输入范围(Input Common-Mode Voltage Range)。在数据手册中给出的方式有两种,其一,直接提供输入电压范围。如图2.2,ADA4077在±15V供电时,输入电压范围在-13.8V至+13V。

图2.2 ADA4077输入特性参数

其二,以供电电源轨为参考的输入电压范围,如图2.168,ADA4807的共模输入范围是-Vs-0.2V 至Vs+0.2V。其中,-Vs表示放大器负电源供电电压,+Vs表示放大器正电源供电电压。当电源电压是±2.5V时,输入电压范围为是±2.7V。

图2.168 ADA4807输入特性参数

当输入信号超出放大器的输入电压范围,将发生削波现象。如图2.169,ADA4077组建缓冲器电路,使用±15V供电,信号源Vin提供幅值为±15V,频率为5KHz的正弦波。

图2.169 ADA4077输入电压限制仿真电路

电路瞬态分析的如图2.170,输入信号V(in)是正弦波幅值为±15V频率为5KHz,但是输出信号V(out)的发生失真,在波峰处被削平,最高输出电压为13.55V,最低输出电压为-13.39V。

图2.170 ADA4077输入电压限制瞬态分析结果

2 高输出电压与低输出电压

高饱和输出电压摆幅(High Saturated Output Voltage Swing,VOH)简称高输出电压,与低饱和输出电压摆幅(Low Saturated Output Voltage Swing,VOL)简称低输出电压,是指放大器在给定电源电压和负载时,输出信号的电平能达到最高与最低电压。

数据手册中给出的方式有两种,其一,直接提供高、低输出电压值。如图2.3,ADA4077在±15V供电,驱动1mA负载时,低输出电压为-13.8V,高输出电压为+13.8V。

图2.3 ADA4077输出特性

其二,以电源轨供电电压为参考的输出电压摆幅。如图2.171,ADA4807在输出负载为1KΩ时,低输出电压典型值为-Vs+0.07V ,高输出电压典型值为+Vs-0.04V。其中,-Vs表示放大器负电源供电电压,+Vs表示放大器正电源供电电压。如果电源电压是±2.5V时,低输出电压为-2.43V,高输出电压为2.46V。

图2.171 ADA4807 输出电压摆幅

高、低输出电压的限制与工作温度相关。如图2.172,ADA4077的高、低输出电压随温度升高而变大。因此,在迟滞比较器、波形整形等应用时需要结合温度、功耗信息设计门限阈值。

图2.172 ADA4077高、低输出电压与温度

3 轨到轨的正确理解

如图2.173,部分放大器数据手册的首页标有轨到轨(Rail-to-Rail,RR)的描述。它是指放大器的输入电压范围、输出电压的摆幅接近(不是等于!!!)电源电压。具体类型包括轨到轨输出(RRO)、轨到轨输入与输出(RR I/O)。

图2.173 ADA4625与ADA4807特性概述

轨到轨放大器应用中需要注意以下几点:

(1)信号到正电源轨与信号到负电源轨的绝对值可能不一致。      

(2)信号到电源轨与负载大小有关,负载电阻越大(负载电流越小),到轨压差越小。

(3)信号与电源轨之间存在电压差,通常为数十毫伏。

其中,特别注意第3点,轨到轨不代表信号与电源轨完全一致。尤其在单电源供电系统可能导致小信号失真。

2018年9月上旬,笔者收到一位工程师的咨询,他为国产知名3C企业即将发布的新产品,设计了一款生产线测试设备,其中使用TI轨到轨输出的零漂放大器OPA2335处理0~2V直流信号,OPA2335供电电源为单5V,测试中发现最低输出只有20mV,不能达到0V输出。

笔者与工程师确认OPA2335数据手册,如图2.174。单5V供电,输出阻抗为10K时,低电压输出限制为15mV(典型值),即小于15mV信号输出时将发生失真。建议更换为正、负电源供电的放大器,保证在0V附近信号不失真,提供ADA4528/ADA4522部分样品进行验证。最终工程师使用支持双电源供电的零漂型放大器完成设备整改。

图2.174 OPA2335输出特特性

综上,输入、输出电压范围参数与放大器供电范围挂钩,而放大器的供电电压是放大器选型评估中优先级最高的参数。在选型分析中,待定放大器型号的交流参数,直流参数即使非常适合拟定的需求,但是如果供电电压不达标就会否决。


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